Dieses Video bildet den zweiten Teil zum Thema Genregulation bei Prokaryoten. Eine Art wie Prokaryoten, das heißt Organismen, deren Zellen kein Zellkern besitzen wie zum Beispiel Bakterien, die Aktivität ihrer Gene regulieren können, habt ihr im letzten Video erfahren. Es gibt Substrate, deren Anwesenheit dazu führt, dass bestimmte Gene abgelesen werden, und auf diese Weise Stoffwechselprozesse stattfinden.
Ein solcher Regulationsmechanismus bezeichnet man deshalb auch als Substratinduktion. Induktion kommt vom lateinischen inducere für herbeiführen. Das Substrat selbst induziert den Stoffwechselweg, führt diesen herbei.
Quasi umgekehrt verhält es sich beim Regulationstyp der Endproduktrepräsion bzw. Endprodukthemmung, die wir uns nachfolgend am Beispiel des Tryptophan-Operons angucken. Hier ist es das Endprodukt eines Stoffwechselweges, das dazu beiträgt, dass jene Gene nicht mehr abgelesen werden, sodass auch der Stoffwechselweg zum Erliegen kommt, der eigentlich zur Bildung des Endprodukts führt. Zum Beispiel der Bildung der Aminosäure Tryptophan.
Es lässt sich bereits jetzt erahnen, dass es sich dabei um ein selbstregulierendes System handelt. Ist die Konzentration von Tryptophan hoch, dann werden Gene nicht abgelesen, die für die weitere Tryptophan-Synthese nötig wären. Es wird kein Tryptophan mehr gebildet und dessen Konzentration in der Zelle nimmt ab.
Kein bzw. wenig Tryptophan in der Zelle bedeutet wiederum, dass jene Gene abgelesen werden können, sodass auch Tryptophan wieder gebildet wird. Schauen wir uns den zugrunde liegenden Mechanismus der Genregulation mal genauer an. Die Genregulation erfolgt in Form von Operons. Dabei handelt es sich um einen DNA-Abschnitt, der einen Promoter, einen Operator und die eben angesprochenen Gene, die man als Strukturgene bezeichnet, umfasst.
Weil die Strukturgene für Enzyme für die Tryptophan-Synthese kodieren, nennt man das Operon auch Tryptophan-Operon. Der Promoter ist essentiell, weil an diesem die RNA-Polymerase binden und die Transkription starten kann. Auf diese Weise können die Strukturgene abgelesen und die Enzyme für die Tryptophan-Synthese hergestellt werden. Wenn wir wissen, dass in... Anwesenheit von Tryptophan diese Struktur-Gene nicht exprimiert werden, dann ist natürlich klar, irgendwo hier muss regulatorisch in den Prozess der Transruption eingegriffen werden.
Zum Beispiel indem man der RNA-Polymerase die Bindung an den Promoter verwehrt. Und genau das ist der Fall. Es gibt sogenannte Regulator-Proteine, die durch ein Regulator-Gen exprimiert werden und vor dem abrunden liegen. Dieses Regulatorprotein, im Fall des Tryptophan-Aporans handelt es sich dabei um ein Repressorprotein oder auch nur kurz Repressor, kann die Transkription reprimieren, hemmen. Voraussetzung dafür ist, dass der Repressor in seiner aktiven Form vorliegt.
Dann nämlich weist der Repressor eine äußere Struktur auf, die es ihm erlaubt, nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an den Operator zu binden. Der Repressor passt dann genau in die große Furche der Operator-DNA, wodurch der RNA-Polymerase eine Bindung an den Promoter verwehrt bleibt, sodass die Transkription verhindert wird und die hinter dem Operator liegenden Struktur-Gene nicht abgelesen werden können Wenn der Repressor jedoch inaktiv ist, kann dieser nicht mehr an den Operator binden, sodass die Transkription abläuft und Gene zur Tryptophan-Synthese exprimiert werden. Ob der Repressor in aktiver oder inaktiver Form vorliegt, ist abhängig von Tryptophan. Denn der Repressor verfügt über eine weitere Bindungsstelle für Tryptophan. Und infolge der Bindung von Tryptophan an den Repressor verändert dieser seine Konformation, seine äußere Struktur.
Das Regulatorprotein exprimiert einen Repressor, der inaktiv ist. In Abwesenheit von Tryptophan kann der Repressor nicht an den Operator binden. Die Folge ist, dass die RNA-Polymerase an den Promoter binden kann, die Strukturgene in eine übrigens zusammenhängende mRNA transkribiert werden und anschließend über die Translation die Enzyme für die Synthese von Tryptophan hergestellt werden. Die Konzentration von Tryptophan in der Zelle steigt.
Vielleicht liegt Tryptophan aber irgendwann in ausreichender Menge der Zelle schon zur Verfügung. In diesem Fall ist es nicht sinnvoll, wenn die Zelle weiterhin Energie aufwendet für die Synthese von Tryptophan, wenn sie es eigentlich nicht mehr benötigt. Anders formuliert, wenn ein bestimmtes Genprodukt, zum Beispiel die Aminosäure Tryptophan, in der Zelle in ausreichender Konzentration vorkommt, dann ist es energetisch sinnvoll, die weitere Produktion der Enzyme für die Tryptophan-Synthese abzuschalten. Je höher die Konzentration von Tryptophan ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass Tryptophan an den Repressor bindet. Dadurch verändert sich die räumliche Struktur des Repressors, wodurch er in seine aktive Form überführt wird.
Jetzt kann sich dieser an den Operator heften, wodurch die RNA-Polymerase nicht mehr an den Promoter binden kann. Es wird keine mRNA erzeugt und damit auch keine Enzyme für die Tryptophan-Synthese. Weil nun die Menge an Tryptophan immer weiter abnimmt, führt dies wiederum dazu, dass Tryptophan nicht mehr an den Repressor bindet, wodurch wiederum gewährleistet wird, dass der Stoffwechselweg stattfindet und das Endprodukt wiederhergestellt wird.
Diese äußerst effektive Regulation der Genaktivität ist ein Beispiel der negativen Rückkopplung, die ihr wiederum auch aus dem Alltag kennt, zum Beispiel in Form eines Thermostats, der die Temperatur reguliert. Wenn es kalt ist, wird der Wasserzufluss zum Heizkörper frei und der Heizkörper heizt maximal, wodurch wiederum die Temperatur im Raum steigt und ab einer gewissen Temperatur wiederum dazu führt, dass sich der Thermostat wieder teilweise schließt, der Heizkörper wenig stark heizt und es wieder kälter wird.