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Name: Julian Vey, 2014
H.Hoffmeister, 2017-03

Warum müssen Geneprodukte (also die Proteinmenge) reguliert werden?

Das dauerhafte Bereitstellen von allen möglichen Proteinen bzw. Enzymen in der Bakterienzelle wäre mit einem massiven Energieverlust verbunden! Das wäre ein enormer Nachteil, wenn es um das Überleben z.B. in nahrungsarmen Zeiten geht. Deshalb werden Gene in der Zelle reguliert, dass heißt nach Bedarf an-/abgeschaltet, um so auch nur dann Proteine herzustellen, wenn diese auch wirklich notwendig sind.

Die Forscher Jacob und Monod entwickelten 1961 das Operon-Modell, womit die Genregulation bei Prokaryoten beschrieben wird. Es wird auch das Operonmodell genannt und gilt für alle Prokaryoten

Ein Operon ist ein Abschnitt der DNA, der aus einem Promoter (Start der RNA-Polymerase),
Strukturgenen (stellen Enzyme her) und einem Operator (kontrolliert die Strukturgene) besteht.

Gesteuert wird das Operon von einem Regulator auf einem benachbarten DNA-Abschnitt:

Es gibt zwei verschiedene Arten der Regulation:Zweiphasiges Wachstum

1. Genregulation durch Substratinduktion am Beispiel E. Coli:

Ist ein Produkt (hier Lactose) nicht vorhanden, so wird vom Regulator ein Represseor-Protein gebildet, welches an die Bindungsstelle des Operators bindet und das "Weiterwandern" der RNA-Polymerase, also die eigentliche Transkription, verhindert. In diesem Zustand werden keine Enzyme für den Lactose-Abbau synthetisiert. 

Substratinduktion - Operonmodell

Wird dem System nun Lactose zugefügt, so bindet diese an das allosterische Zentrum (spezifisch nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip) des Repressors und führt zu einer Konformationsänderung, wodurch dieser nicht mehr an den Operator binden kann und sich somit ablöst. Folglich fällt diese Blockade weg und die Polymerase kann die Strukturgene ungehindert ablesen. Es entsteht die passende mRNA und in den Ribosom werden nun Enzyme für den Lactose-Abbau hergestellt.

Dieser Vorgang endet, wenn die Lactose verbraucht ist und der Repressor zu seiner ursprünglichen Konformation zurückkehrt. Dies geschiet, weil sich alle Lactose Moleküle von den Repressoren gelöst haben und diese wieder ihre unrsprungliche Form erlangen. Der Schlüssel passt nun also wieder in Schloss und deshalb kann der Repressor wieder an den Operator binden.

Da der Vorgang durch das abzubauende Produkt ausgelöst wird spricht man von Induktion (Anregung, Auslösung). Die Reaktion (also das Starten der Transkription) wird also durch das Edukt (hier Lactose) reguliert!

Substratinduktion - Operonmodell - Induzierung

Zweiphasiges Wachstum einer E. coli Kultur:

Betrachtet man eine Wachstumskurve von E. Coli-Kulturen, in denen die Energiequelle Glucose versiegt ist und lediglich Lactose neu hinzugegeben wird, so stoppt die Bakterienvermehrung zunächst und setzt erst mit Verzögerung wieder ein. Wird während des gesamten Vorgangs die Enzymausstattung beobachtet, kann man zunächst nur Enzyme für den Glucose-Abbau nachweisen. Nach Hinzugabe von Lactose sind wenig später auch Enzyme für den Lactose-Abbau vorhanden. Durch das Bilden von neuen Enzymen ist der Wachstumsstop zu erklären. Hieran ist zu erkennen, dass Zellen durch die Regulation nicht nur Energie sparen, sondern auch sehr schnell auf ändernde Umwelteinflüsse reagieren können. 

2. Genregulation durch Endproduktrepression am Beispiel E. Coli:

Bei der Endproduktrepression ist der Vorgang umgekehrt: Ist das allosterische Zentrum des Repressors leer (und kein Stoff gebunden), so ist dieser inaktiv und es findet Transkription ab. Die Strukturgene bilden Enzyme, die aus einem Ausgangsstoff eine Aminosäure machen. 
ein solches Beispiel liegt im Tryptophan-Operon vor. Diese Aminosäure wird von fast allen Bakterien ständig gebildet. Wenn aber die Konzentration ausreichend groß ist, so bindet das Produkt Tryptophan" an den Repressor und blockiert solange eine Neusythese, bis wieder Tryptophan benötigt wird. SO wird eine Überproduktion vermieden.

induzierte Endproduktrepression

 

Das Endprodukt heftet sich nun an den Repressor, aktiviert ihn und hemmt somit die Enzymbildung, da nun die Transkription verhindert wird. Sinkt die Konzentration des Endprodukts, so wird der Repressor wieder aktiv. Durch dieses System werden Produkte gebildet, jedoch nur in dem Maße, wie sie auch benötigt werden.  blockierte Endproduktrepression

 Die Hemmung der Transkription wird in diesem Fall durch das Produkt reguliert!

 

Nach welchem Weg nun ein Operon reguliert wird, ist genetisch festgelegt, es kann nicht zwischen den beiden Wegen gewählt werden. Generell gilt:
- Bei Stoffen, die nicht so häufig vorkommen, und Stoffe die abgebaut werden, findet meist Subtratinduktion statt

- Bei Stoffen, welche von dem Bakterium synthetisiert werden müssen, und die im Grunde dauerhaft notwendig sind, findet meist Endprodukthemmung statt.

 

 

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