Regulation der Genaktivität

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Ein Operon ist eine Einheit, die aus mehreren Genen plus einem Regulationselement besteht, das die Gene steuert. Die Gene eines Operons bilden normalerweise eine Funktionseinheit, die alle beteiligten Komponenten eines Stoffwechselwegs enthält. Beim Lac Operon sind das z.B. die Gene LacZ (für die Beta-Galactosidase, da Lactose in Glucose und Galactose spaltet), LacY (für die Beta-Galactosid-Permease, die als Membranprotein Lactose in die Zelle transportiert) und LacA (Beta-Galactosid-Transacetylase, die die Zelle von giftigen Thiogalactosiden befreit, die durch die Beta-Galactosid-Permease ebenfalls in die Zelle transportiert werden).

Bei der Transkription werden die Gene, die alle hintereinander liegen, zu einer sog. polycistronischen mRNA transkribiert, was nichts anderes heißt, als dass die mRNA für mehr als ein einziges Gen, sondern für mehrere Gene codiert (anders wie es bei Eukaryoten normalerweise der Fall ist, wo eine mRNA für ein Gen codiert). Der Vorteil dabei ist, dass alle Gene zusammen transkribiert werden und somit alle wichtigen Komponenten zur selben Zeit in ausreichender Menge vorhanden sind, und das ganze dabei nur durch eine Regulationseinheit kontrolliert wird.

Nun eine Korrektur: Ich nehme an, dass du anstatt "Prozessor" Promotor meinst. Der Promotor bildet die Regulationseinheit des Operons und enthält eine Bindestelle für ein Regulatorprotein. Diese nennt sich Operator.

Jetzt gibt es verschiedene Situationen: Es gibt starke und schwache Promotoren. An starke Promotoren kann die RNA-Polymerase recht leicht binden und dementsprechend häufig die Transkription starten. An schwache Promotoren bindet die RNA-Polymerase dagegen sehr selten. Dementsprechend werden die starken Promotoren vorwiegend durch Repressoren gehemmt (Repressoren sind Regulatorproteine, die die Transkription unterdrücken), und die schwachen durch Aktivatoren (die Transkription fördernde Regulatorproteine) verstärkt.

Sehr häufig kommt es aber auch zur Signalintegration, bei der am Promotor sowohl Aktivatoren als auch Repressoren an die Operatoren binden und verschiedene Signale übermitteln. Das Lac-Operon, welches die Proteine für einen katabolen (=abbauenden) Stoffwechselweg liefert, bietet ein schönes Beispiel: Es besitzt eine Bindungsstelle für den Repressor LacA und für den Aktivator CAP. LacI besitzt eine Konformation, in der es hoch affin für die Bindestelle am Operator ist und dementsprechend die Transkription verhindert. Dies ändert sich, wenn Lactose in der Zelle vorhanden ist: Lactose wird zu Allolactose umgewandelt, welche dann an LacI bindet und eine Konformationsänderung induziert, sodass die Affinität für die DNA-Bindestelle stark sinkt. In dieser Konformation könnte die RNA-Polymerase im Prinzip binden und die Transkription induzieren. Der Lac-Promotor ist aber ein schwacher Promotor und Bedarf deshalb eines Aktivators. Das ist das Protein CAP, das allerdings nur bindet, wenn kein Glucose in der Zelle vorhanden ist, da es dann eine hohe Affinität für die DNA besitzt. Ist Glucose vorhanden, führt das zu einem Anstieg von cAMP, welches wiederum an CAP bindet und in diesem eine Konformationsänderung induziert, sodass die Affinität für die DNA sinkt.

Fazit: Die Transkription kann nur stattfinden, wenn Lactose vohanden ist, aber kein Glucose. In allen anderen Fällen wird das Operon nicht transkribiert. Dies dient dem Zweck Ressourcen zu sparen, denn wenn Glucose da ist, ernährt sich E.coli von diesem viel lieber, egal ob Lactose da ist. Und wenn kein Lactose da ist, macht es auch kein SInn, Proteine herzustellen, die Lactose abbauen.

Beim Tryptophan-Operon handelt es sich um Gene, die für Enzyme codieren, die einen anabolen (=aufbauenden) Stoffwechselweg katalysieren. Dementsprechend ist das Endprodukt (= Tryptophan) dasjenige Molekül, das den Repressor durch Bindung aktiviert, so dass dieser an die DNA bindet und die Proteinsynthese ausschaltet. Das Prinzip ist die negative Rückkopplung: Wenn genügend Endprodukt da ist, besteht kein weiterer Bedarf für Proteine, die die Bildung des Endprodukts vorantreiben. Auch dies spart Recourcen und hindert die Zelle daran, sich selbst zu überfluten.

Zusammenfassend lässt sich sagen dass es vier Arten der Regulation gibt:

1) Zugabe des Liganden führt dazu, dass sich ein gebundener Repressor von der DNA löst und somit die Transkription induziert (Bsp: Lac-Operon --> Protein LacI)

2) Zugabe des Liganden führt dazu, dass ein ungebundener Repressor an die DNA bindet und somit die Transkription hemmt (Bsp: Tryptophan-Operon)

3) Zugabe des Liganden führt dazu, dass sich ein gebundener Aktivator von der DNA löst und somit die Transkription hemmt

4) Zugabe des Liganden führt dazu, dass ein ungebundener Aktivator an die DNA bindet und somit die Transkription induziert (Bsp. Lac-Operon --> Protein CAP)

mfg

Ich danke Ihnen sehr!

Vielen Dank für die Mühe mir dieses besser zu verdeutlichen. Liebe Grüße

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@Selin222

kein Problem ;-) wobei ich mich an einer Stelle korrigieren muss: Der Repressor heißt nicht LacA, sondern LacI

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Die Folgen für Lactose sind meiner Meinung nach Lactose Intolleranz, also wenn es nicht abgebaut werden kann. Aber beim TRP-Operon? Was passiert wenn es zur Hemmung der Transkription der Strukturgene kommt? BITTE HILFT MIR :)

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