Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten (Expertenwissen)

Hallo. Willkommen zum Video zum Thema Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten. In diesem Video lernst du den Zweck der Genregulation, wir besprechen das Operon-Modell, die negative Kontrolle der Genaktivität und die positive Kontrolle der Genaktivität. Prokaryoten sind einzellige Organismen ohne Zellkern und ohne Organellen, zu denen die Bakterien gezählt werden. Bakterien können sich aufgrund der Regulation der Genaktivität schnell an die Umweltbedingungen anpassen. Als Beispiel besprechen wir das Darmbakterium E. coli. Im Englischen auch E. coli genannt. E. coli kann sich auf die wechselhafte Umwelt des menschlichen Darms anpassen, die von der Ernährung des Menschen abhängt. Falls ein Bakterium in seiner Umgebung einen Mangel an der Aminosäure Tryptophan vorfindet, die es dringend zum Überleben braucht, dann reagiert es mit der Aktivierung eines Stoffwechselweges, bei dem das Bakterium ihr eigenes Tryptophan produzieren kann. Später, wenn der Mensch eine tryptophanreiche Mahlzeit zu sich genommen hat, also die Umwelt reich an Tryptophan ist, schaltet das Bakterium die Produktion des Tryptophan wieder ab. Das Bakterium spart sich somit die Energie, die für die Produktion des Tryptophan benötigt wird. Dieser ganze Prozess geschieht über die Regulation der Genaktivität. Die Regulation eines Stoffwechselweges läuft folgender Weise ab: Eine Aminosäure kann in mehreren Schritten produziert werden. Mehrere Gene kodieren dabei jeweils ein Enzym, das einen unterschiedlichen Schritt im Stoffwechselweg katalysiert. Durch die aufeinander folgenden enzymatischen Prozesse entsteht aus einer Vorstufe ein Endprodukt. Zum Beispiel die Aminosäure Tryptophan. In der Produktion von Tryptophan wären zum Beispiel fünf Enzyme beteiligt. Hier sind exemplarisch vier dargestellt. Bei einer steigenden Konzentration des Endprodukts kann dieses das erste Enzym in der Produktionskette hemmen. Dies funktioniert aufgrund des Schlüssel-Schloss-Prinzips an dem allosterischen Zentrum des Enzyms. Durch diese Bindung wird die Funktion des Enzyms gehemmt. Somit kommt die ganze Produktionskette zum Erliegen. Man spricht auch von einer Feedback-Hemmung. Zusätzlich kann ein Überschuss der Aminosäure Tryptophan die Expression der Gene für die Enzyme hemmen. Das bedeutet, die Produktion dieser Enzyme wird abgeschaltet. Bei der Regulation eines Stoffwechselweges sind also diese zwei Arten von Hemmungen von Bedeutung. Den grundlegenden Mechanismus dieser Kontrolle der Genaktivität beschreibt das Operon-Modell. In der DNA liegen fünf Strukturgene. Diese werden zu mRNA transkribiert und translatiert. Dadurch entstehen fünf Enzyme zur Tryptophansynthese. Hier sind exemplarisch vier dargestellt. Die Strukturgene liegen auf der DNA eng beieinander. Vor diesen Genen liegt ein gemeinsamer Promotor. Ein Promotor dient als Bindungsstelle für die RNA-Polymerase. Hier fängt die Transkription, also die Bildung der mRNA, an. In der Promotor-Region befindet sich auch der Operator. Dieser kontrolliert den Zugang der RNA-Polymerase zu den Strukturgenen. Der ganze DNA-Abschnitt, bestehend aus Promotor, Operator und den Strukturgenen, wird als Operon bezeichnet. Vor dem Tryptophan-Operon befindet sich ein Repressor-Gen. Das Produkt dieses Gens ist ein Protein, das man als Repressor bezeichnet. Tryptophan wirkt als Effektor und kann an den Repressor binden. Wenn kein Tryptophan vorliegt, liegt das Repressor-Protein im ungebundenen Zustand vor und ist inaktiv. Der Repressor kann sich dann nicht an den Operator anlagern und dadurch die Transkription behindern. Wenn also kein Tryptophan vorliegt, findet die Transkription der Gene statt, die für die Tryptophanproduktion verantwortlich sind. Wenn Tryptophan jedoch vorliegt, bindet es an das Repressor-Protein. Der dadurch aktivierte Repressor kann das Operon nun abschalten. Das heißt, wenn Tryptophan vorliegt, findet keine Transkription statt, denn es werden keine Enzyme zur Tryptophanherstellung benötigt. Du weißt also jetzt, wie Tryptophan als Effektor wirkt. Im Fall des Tryptophan-Operons spricht man von einer Endprodukt-Repression. Das Endprodukt bewirkt also, dass die Synthese des Produkts abgeschaltet wird. Ein anderer wichtiger Fachbegriff ist die negative Rückkopplung. Eine weitere Art der Regulation der Genaktivität ist die Substrat-Induktion. Das Substrat schaltet einen Syntheseweg an. Ein Beispiel dafür liefert das Lac-Operon des Darmbakteriums E. coli. Wenn als Substrat Lactose vorhanden ist, findet die Synthese von Enzymen für den Abbau der Lactose statt. Wir gehen jetzt näher auf das Lac-Operon ein. Das Lac-Operon enthält Strukturgene, die drei Enzyme kodieren, die für den Abbau der Lactose, also des Milchzuckers, zuständig sind. Die β-Galactosidase, Permease und die Transacetylase. Außerdem enthält das Lac-Operon ebenfalls einen Promotor und einen Operator. Vor dem Operon liegt ein Regulator, das ein Repressor-Protein kodiert. Ist keine Lactose und somit kein Effektor vorhanden, so ist der Repressor aktiv. Der aktive Repressor kann sich also an den Operator anlagern und dadurch die RNA-Polymerase in ihrer Funktion behindern. Es findet also keine Transkription statt. Denn wenn keine Lactose vorhanden ist, werden auch keine Enzyme für den Abbau der Lactose benötigt. Wenn der Effektor, also die Lactose, vorhanden ist und an den Repressor bindet, dann wird dieser Repressor inaktiviert. Dadurch kann der inaktive Repressor nicht an den Operator binden und die RNA-Polymerase wird nicht in ihrer Funktion behindert. Es findet also eine Transkription der Strukturgene statt. Das heißt, nur wenn Lactose vorliegt, werden auch die Enzyme produziert, die für den Abbau der Lactose zuständig sind. Man spricht von negativer Kontrolle. Das heißt, ein Repressor schaltet die Transkription eines Gens ab. Als Beispiel haben wir zuerst das Tryptophan-Operon und danach das Lac-Operon besprochen. Es gibt aber auch Prozesse, die als positive Kontrolle der Genaktivität bezeichnet werden. Dabei interagiert ein Aktivator mit der DNA. Der Aktivator schaltet die Transkription eines Gens an. Ein Beispiel hierfür ist wiederum das Lac-Operon für den Lactoseabbau. Das heißt, das Lac-Operon unterliegt sowohl negativer, als auch positiver Kontrolle. Wir gehen jetzt auf die positive Kontrolle der Genaktivität beim Lac-Operon ein. Bakterien verwenden Lactose nämlich nur, wenn keine Glucose vorhanden ist. Das heißt, dass die Transkription der Gene für die lactoseverwertenden Enzyme nur dann stattfindet, wenn Glucosemangel vorliegt. Glucosemangel ist also ein Signal für die Transkription. Liegt Glucose vor, wird diese präferiert verwendet, weil das für das Bakterium energetisch günstiger ist. Wir gehen jetzt näher auf die positive Kontrolle der Genaktivität des Lac-Operons ein. Glucosemangel in der Zelle hat zur Folge, dass es zu einer erhöhten Konzentration des Signalmoleküls cAMP kommt. CAMP steht für cyclisches Adenosinmonophosphat. Dieses Signalmolekül lagert sich an das Aktivatorprotein CAP an. Der Name stammt vom englischen Ausdruck für Katabolit-Aktivatorprotein. Durch diese Bindung des Signalmoleküls an das Aktivatorprotein wird dieses aktiviert. Es bindet nun an eine DNA-Sequenz vor dem Lactosepromotor. Diese Bindung des aktivierten CAP-Proteins ermöglicht die Transkription durch die RNA-Polymerase. Wenn Glucose vorhanden ist, liegt eine niedrige cAMP-Konzentration vor. Dadurch kann das CAP-Protein nicht aktiviert werden und es findet keine Transkription statt. Das bedeutet, egal ob Lactose vorhanden ist oder nicht, sobald Glucose im Medium vorhanden ist, findet keine Synthese von Lactose abbauenden Enzymen statt, denn Glucose wird präferiert abgebaut. Wenn jedoch keine Glucose, aber dafür Lactose vorhanden ist, findet die Synthese von Lactose abbauenden Enzymen statt. Die positive und die negative Kontrolle, die wir beide besprochen haben, finden also immer gleichzeitig statt. Zusammenfassung: In diesem Video hast du etwas über das Operon-Modell gelernt. Du kannst jetzt zwischen der negativen und der positiven Kontrolle unterscheiden. Bei der negativen Kontrolle haben wir die Endprodukt-Repression besprochen und haben das Tryptophan-Operon als Beispiel drangenommen. Außerdem weißt du jetzt, was die Substrat-Induktion ist. Wir haben in dem Zusammenhang das Lac-Operon besprochen. Außerdem haben wir über die positive Kontrolle der Genaktivität geredet. Du weißt, dass das die Aktivierung der Transkription durch einen Aktivator bedeutet. Du hast noch im Kopf, dass das über das cAMP und CAP funktioniert. Als Beispiel haben wir das Lac-Operon besprochen. Danke für deine Aufmerksamkeit. Tschüss, bis zum nächsten Video.