Genregulation bei Prokaryoten – Steuerung der Genexpression (Basiswissen)

Genregulation bei Prokaryoten – Steuerung der Genexpression (Basiswissen) Übung

• Benenne die Funktionen der Regionen der DNA bei der Regulation der Genaktivität.

  Tipps

  Da in einem Operon Gene zu Regulationseinheiten zusammengefasst werden, greifen sie in ihren Funktionen wie Zahnräder ineinander. Vielleicht hilft es dir, wenn du Schnittstellen der Abschnitte suchst.

  Ein Repressor blockiert die Bindungsstelle der RNA-Polymerase.

  Lösung

  Der Promotor ist die Startregion des Operons. Hier beginnt die RNA-Polymerase abzulesen. Der Operator stellt die Bindungsstelle für das Repressor-Molekül im Operon dar.

  Ist der Repressor aktiv, so passt er wie ein Schlüssel zum Schloss und die RNA-Polymerase kann die Strukturgene nicht ablesen.

  Ist der Repressor inaktiv, kann die RNA-Polymerase die Strukturgene ungehindert ablesen.

  Der Regulator, welcher nicht zum Operon gezählt wird, codiert das Protein des Repressors.

• Benenne zentrale Aussagen der Genregulation anhand des Diagrammes.

  Tipps

  Der Begriff „induzieren“ kann auch mit dem Wort „auslösen“ ausgedrückt werden.

  Bei einer „Repression“ wird etwas unterdrückt.

  Lösung

  Beim Lactose-Abbau handelt es sich um eine Substratinduktion. Wenn Lactose dem Medium entzogen wird, stoppt die Produktion von lactoseabbauenden Enzymen, da das Substrat, also die Lactose, die Genaktivität induziert.

  Wird Tryptophan zum Medium hinzugegeben, so hemmt dies die Produktion von Enzymen zur Synthese des Tryptophans. Da das Tryptophan das Endprodukt der Synthesekette ist, spricht man auch von Endproduktrepression.

• Beschreibe und erkläre die im Diagramm dargestellten Messergebnisse.

  Tipps

  Beim Erklären von Diagrammen beschreibst du zuerst den Verlauf der Kurven, dann interpretierst du den Verlauf dieser Kurven.

  Beginne mit dem Erklären der Achsen des Kurvendiagramms.

  Lösung

  Beschreibe zuerst die Achsen des Diagrammes: Auf der y-Achse ist die OCTase-Menge pro Bakterium in relativen Einheiten angegeben, auf der x‑Achse die Anzahl der Zellteilungen pro Zeiteinheit. Beschreibe anschließend die Kurvenverläufe (Dabei solltest du v.a. auf Besonderheiten eingehen.): Mit Arginin ist keine messbare OCTase-Bildung feststellbar. Ohne Arginin steigt die Menge an OCTase bis zur 1. Zellteilung stark an, dann fällt sie allmählich, bis sich die OCTase-Menge nach der 3. Zellteilung sich bei ca. 1,5 rel. Einheiten einpendelt. Erkläre nun den Kurvenverlauf auf Grundlage deiner Kenntnisse: Das Endprodukt Arginin der Synthesekette unterbindet die weitere Enzymbildung (=Endproduktrepression). Fehlt das Endprodukt, so werden die entsprechenden Enzyme (hier: unter anderem OCTase) sehr schnell gebildet, bis das hohe Angebot an Endprodukten erneut teilweise reprimierend wirkt. Nach einer gewissen Zeit stellt sich dann das typische zelluläre Gleichgewicht ein. Im letzten Schritt interpretierst du und bringst alle Erkenntnisse in einen sachlogischen Zusammenhang: Fehlt des Substrat Arginin, so ist der Repressor inaktiv und die RNA-Polymerase kann am Promotor ansetzen. In der Folge werden die Strukturgene transkribiert und die Enzyme zur Argininbildung können synthetisiert werden. Entsprechend schnell steigen die OCTase-Menge und die Menge des Endprodukts Arginin an. Bei höherer Konzentration bindet das gebildete Arginin nun den Repressor und führt zu einer Konformationsänderung des Repressors. Dieser dadurch aktivierte Repressor kann nun am Operator ansetzen. Damit wird die Transkription der Strukturgene durch die RNA-Polymerase unterbunden. In der Folge werden keine Enzyme mehr synthetisiert und die Argininbildung unterbleibt.

• Entscheide, welche Auswirkung die jeweilige Mutation im lac-Operon von E. coli auf den Lactose-Stoffwechsel hat.

  Tipps

  Ein Lactose-Abbau kann nur dann stattfinden, wenn der Repressor inaktiv ist.

  Ein Lactose-Abbau kann nur dann stattfinden, wenn die RNA-Polymerase die Strukturgene ablesen kann.

  Ein Lactose-Abbau kann auch nur dann stattfinden, wenn die passenden Enzyme dafür synthetisiert werden können.

  Lösung

  Ohne funktionierenden Repressor wird ständig das Enzym zum Lactose-Abbau gebildet.

  Wenn der Repressor nicht am Operator binden kann, wird ständig Lactose abgebaut.

  Ist keine RNA-Polymerase vorhanden, weil sie nicht am Promotor binden kann, können die Strukturgene nicht abgelesen werden, auch wenn der Repressor inaktiv ist.

• Benenne zentrale Strukturen des lac-Operons von E.coli.

  Tipps

  Der Repressor wirkt wie ein Hindernis im Operon.

  Der Regulator ist nicht Teil des Operons.

  Der Promotor ist der Startpunkt des Operons.

  Die Strukturgene können erst abgelesen werden, wenn der Repressor inaktiv ist.

  Lösung

  Das Operon wird als eine Regulationseinheit von Genen bezeichnet. Es dient der Regulation von Genaktivität in Bakterienzellen. Der Promotor stellt die Startregion des Operons dar. Hier beginnt die RNA-Polymerase ihre Arbeit. Am Operator kann der Repressor angelagert werden. Ist dieser aktiv, bildet er eine Barriere und die RNA-Polymerase kann die darauffolgenden Strukturgene nicht ablesen. Die Regulator-Region ist nicht Teil des Operons. Sie enthält Gene zur Synthese des Repressor-Proteins.

• Entscheide, welche der abgebildeten Kurven die Enzymproduktion von E. coli auf einem Nährmedium mit Tryptophan darstellt.

  Tipps

  Ist das Substrat nach einiger Zeit in großen Mengen vorhanden, hemmt es die Synthese von Enzymen, die es aufbauen.

  Bei der Regulation der Synthese von Tryptophan handelt es sich um den Mechanismus der Endproduktsrepression.

  Überlege, ob bei der Endproduktrepression der Enzymgehalt auf null relative Einheiten sinken kann.

  Lösung

  Bei der Regulation der Synthese von Tryptophan handelt es sich um den Mechanismus der Endproduktsrepression. Das bedeutet, dass nach Zugabe des Endproduktes der Synthesekette, also des Tryptophans, die Enzymproduktion gestopt wird, da ausreichend Tryptophan vorliegt. Nach einer kurzen Zeit sinkt die Kurve der Enzymkonzentration ab und bleibt auf einem niedrigen Wert. Erst wenn Tryptophan nicht mehr in ausreichendem Maße vorhanden ist, setzt die Enzymproduktion wieder ein. Auf 0 relative Einheiten kann die Enzymkonzentration nicht fallen (siehe Diagramm 4), da ständig Tryptophan verbraucht und somit wieder neu hergestellt werden muss.