In diesem Video gehen wir der Frage nach, wie Prokaryoten, das heißt Organismen, deren Zellen kein Zellkern besitzen, wie zum Beispiel Bakterien, ihre Genexpression regulieren. Ordnen wir das Ganze mal für das bessere Verständnis ein bisschen ein. Als Gene werden ganz spezifische Abschnitte der DNA bezeichnet, die die Information für die Synthese eines Proteins enthalten. Gene können über den Prozess der Proteinbiosynthese in funktionsfähige Proteine exprimiert werden. Wahrscheinlich habt ihr euch im Unterricht schon mit der Proteinbiosynthese beschäftigt und wisst, dass dieser Vorgang der Synthese von Proteinen zwei Teilschritte umfasst.
Einmal die Transkription, bei der die DNA-Sequenz eines Gens in einzelsträngige mRNA umgeschrieben bzw. transkribiert wird und die darauf folgende Translation bei der die RNA an den Ribosomen in die Aminosäure-Sequenz eines Proteins übersetzt wird. Zwischen Prokaryoten und Eukaryoten, Zellen mit Zellkern, herrschen zum Teil erhebliche Unterschiede, was den Ort und den Ablauf der Proteinbiosynthese betrifft. Die RNA-Prozessierung, die manche von euch als zweiten Schritt zwischen Transkription und Translation im Kopf haben, existiert bei den Prokaryoten nicht. Über den Prozess der Proteinbiosynthese stellen Prokaryoten, Also ebenso wie Eukaryoten.
Proteine her. Prokaryoten sparen Energie und Ressourcen, indem sie Proteine nur dann synthetisieren oder behalten, wenn sie benötigt werden. Wenn sie die Aktivität ihrer Gene also regulieren.
Prinzipiell kann die Genexpression an jeder einzelnen Stelle der Proteinbiosynthese reguliert werden. Beispielsweise kann die Transkription der mRNA verhindert werden oder aber die Translation der mRNA am Ribosom gestoppt werden. Ja, selbst wenn das Protein hergestellt wurde, kann die Funktion des Proteins noch blockiert werden. Auch hier gilt mal wieder im Sinne der Energieeffizienz, je früher die Zelle in den Prozess der Protein-Biosynthese eingreift, desto weniger Energie verschwendet sie. Selektiv die Transkription zu hemmen, ist energetisch deutlich sinnvoller, als unter Energieaufwand ein Gen zu transkribieren, die mRNA zu translatieren und schließlich erst das entstandene Protein abzubauen.
Prokaryoten nutzen den effektivsten Weg der Genregulation, die Regulation der Transkription. Im Wesentlichen lassen sich bei Prokaryoten zwei Arten der Genregulation unterscheiden, die sogenannte Substratinduktion und die Endproduktrepräsion bzw. Endprodukthemmung.
In diesem Video werden wir uns die Substratinduktion am Beispiel des Substrats Laktose angucken, im zweiten Teil die Endprodukthemmung anhand der Aminosäure Tryptophan. Das Bakterium Escherichia coli ist als Bewohner unseres menschlichen Darms schnell mit sich ändernden Bedingungen konfrontiert. Die bevorzugte Energiequelle ist zwar Glucose, weil sich Glucose als Monosacharid bzw. Einfachzucker schnell verstoffwechseln lässt. Es kann aber auch Zeiten geben, in denen Laktose als Zweifachzucker bzw.
Disacharid der Nährstoff ist, der den Darm passiert. Steht dem Bakterium nur Laktose als Energiequelle zur Verfügung, dann muss es zwangsweise Laktose in seinen Stoffwechsel integrieren, also aufnehmen und auch verarbeiten. Drei Gene, die auf der DNA direkt hintereinander liegen und die man als sogenannte Strukturgene bezeichnet, spielen bei der Verstoffwechslung von Laktose eine wichtige Rolle. Und diese drei Gene werden zu folgenden drei Enzymen exprimiert.
Beta-Galactosid-Permiase, ein Transportprotein in der Plasma-Membran des Bakteriums, das den Zucker in die Zelle bringt. Beta Galactusidase ein Enzym, das den Zweifachzucker in seine Einzelbestandteile Glucose und Galaktose spaltet, und die Beta-Galaktosid Transacetylase, deren Funktion bis heute noch nicht gänzlich geklärt ist. In vielen Biologiebüchern steht lediglich, dass die von diesen Strukturgenen gebildeten Enzyme für den Laktosestoffwechsel sind.
Und dies reicht auch zu wissen. Ich habe ihre einzelnen Funktionen extra erläutert, um euch zu zeigen, dass es sich hierbei nicht allein um den Laktoseabbau geht. Wenn das umgebende Medium Glucose ist, das E. coli als Nahrungsquelle zur Verfügung steht, dann erscheint logisch, dass die Strukturgene keine bzw. kaum Proteine bzw.
Enzyme für den Laktosestoffwechsel exprimieren. Schließlich verschwendet die Zelle weder Energie noch Material, um nicht benötigte Enzyme zu synthetisieren. Umgekehrt ist es natürlich wichtig, dass die Zelle die Genexpression der Proteine für den Laktosestoffwechsel erhöht, wenn Laktose der Zelle zur Verfügung steht und Glucose nicht.
Und tatsächlich, in Anwesenheit von Laktose kann die Konzentration von Beta-Galactosidase etwa 1500 Mal so hoch sein wie in Abwesenheit von Laktose. Schauen wir uns den zugrunde liegenden Mechanismus der Genregulation 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 Strukturgene enthält.
Und weil diese Strukturgene für Enzyme des Laktosestoffwechsels kodieren, nennt man das Operon auch Lackoperon. Wie ihr wahrscheinlich wisst, beginnt an einem ganz spezifischen Abschnitt der DNA, den man als Promoter bezeichnet, die Transkription. Weil hier die RNA-Polymerase binden und die Transkription somit starten kann.
Wenn wir wissen, dass in Abwesenheit von Laktose Struktur-Gene nicht exprimiert werden, dann ist natürlich klar, irgendwo hier muss regulatorisch in den Prozess der Transkription eingegriffen werden. Zum Beispiel, indem man der RNA-Polymerase die Bindung an den Promoter verwehrt. Und genau das ist der Fall.
Es gibt sogenannte Regulatorproteine, die durch ein Regulatorgen exprimiert werden, vor dem Operon liegen und die an eine Sequenz binden, die sich hinter dem Promoter befindet und als Operator bezeichnet wird und dadurch die Expression des Gens regulieren. Zu unterscheiden sind Aktivator- und Repressorproteine. Im Fall des Laktosestoffwechsels ist es ein Repressorprotein oder auch nur kurz Repressor. Der Repressor verfügt über zwei Bindungsstellen. Zum einen kann das Substrat Laktose an den Repressor binden, zum anderen hat der Repressor eine Bindungsstelle für den Operator.
Wenn in einer Bakterienzelle kein Laktose vorhanden ist, dann liegt der Repressor in aktiver Form vor. In dieser Form kann der Repressor an den Operator binden, weil der Repressor genau in die große Furche der Operator-DNA passt. Eine Bindung nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Dadurch kann die RNA-Polymerase nicht an den Promoter binden, sodass die Transkription verhindert wird. Die Folge ist, dass die drei Struktur-Gene, welche hinter dem Operator liegen, nicht abgelesen werden.
Wenn keine mRNA erzeugt wird, dann werden natürlich auch keine entsprechenden Proteine für den Laktose-Stoffwechsel produziert. Sinnvoll, in einer laktosefreien Umgebung auch keine Proteine für den Laktose-Stoffwechsel zu synthetisieren. Normalerweise liegt der Repressor in aktiver Form vor.
normalerweise denn neben der bindungsstelle für den operator weiß der repressor eine weitere bindung Stelle für Laktose auf. Wenn Laktose in der Zelle vorhanden ist, bindet es an den Repressor, wodurch dieser seine äußere Form, seine Konformation, ändert. Infolge der Bindung von Laktose an den Repressor und die damit verbundene Konformationsänderung wird der Repressor in einen inaktiven Zustand überführt.
Er ist jetzt inaktiv, weil er nicht mehr an den Operator binden kann. 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 den Laktose-Stoffwechsel hergestellt werden. Deshalb heißt die Art der Genregulation auch Substratinduktion.
Induktion kommt vom lateinischen in duque refu herbeiführen. Das Substrat selbst induziert den Stoffwechselweg, führt diesen also herbei. Fassen wir das nochmal zusammen. Bei der Substratinduktion interagiert das Substrat eines Stoffwechselweges mit einem regulatorischen Protein, dem Repressor, und macht es dadurch dem Repressor unmöglich, an den Operator zu binden, sodass die Transkription stattfinden kann.
Die Endprodukthimmung, die wir uns im zweiten Video angucken werden, erfolgt nach einem etwas anderen Prinzip. Hier bindet das Produkt eines Stoffwechselweges an ein regulatorisches Protein, dem Repressor. das dann an den Operator bünden kann und somit die Transkription zum Erliegen kommt. Wie der Name Endprodukthemmung bereits sagt, das Endprodukt hemmt den Stoffwechselweg.