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Genregulation bei Prokaryoten – Steuerung der Genexpression (Basiswissen) 06:21 min

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Transkript Genregulation bei Prokaryoten – Steuerung der Genexpression (Basiswissen)

Hallo! Weißt du, dass Bakterien mehrere Nährstoffe eines Mediums nutzen können, in dem sie einfach die Genaktivität zur Produktion von Enzymen zum Abbau an die jeweils vorhandenen Nährstoffe anpassen. So können sie verschiedene Nährstoffe effektiv nutzen. Ist der Nährstoff dann nicht mehr vorhanden, wird die Produktion der Enzyme wieder eingestellt. Das macht Sinn, oder?

Die Genregulation ist beim Menschen sehr komplex und oftmals auch noch gar nicht verstanden. Bei den Bakterien ist der Mechanismus der Genregulation einfacher und gut erforscht. Wie der Mechanismus genau funktioniert, zeige ich dir jetzt!

Das Bakterium Escherichia coli lebt im Darm des Menschen und kann verschiedene Kohlenhydrate als Energiequelle nutzen. Dazu gehören z.B. auch Glucose oder Laktose.

Wenn man die Bakterien auf Glucose-haltigen Nährboden züchtet und dann auf Laktose-haltigen Nährboden ohne Glucose überführt, setzt zunächst ein Wachstumsstillstand der Population ein. Einige Zeit später vermehren sich die Bakterien jedoch wieder.

Man schloss daraus, dass sie erst bestimmte Enzyme herstellen müssen, die die Laktose abbauen. Das Bakterium E.coli hat für die Regulation der Gene für den Laktose-Abbau einige Gene in einer Regulationseinheit zusammengefasst. Diese Regulationseinheit für den Laktose-Abbau nennt man Lac-Operon. Die Funktionsweise dieses Operons möchte ich dir jetzt erklären.

Das Lac-Operon setzt sich aus dem Promotor, dem Operator und den drei Strukturgenen S1, S2 und S3 zusammen. Der Promotor ist die Region eines Gens, an den die RNA-Polymerase bindet und die dahinter liegenden Gene abliest, transkribiert und die mRNA produziert.

Der Operator wird von einem bestimmten Protein, dem Repressor, gebunden. Durch diese Bindung wird verhindert, dass die RNA-Polymerase die Gene transkribieren kann. Du kannst dir den gebundenen Repressor wie ein Hinderniss vorstellen, an dem die RNA-Polymerase nicht vorbeikommt. Aber woher kommt dieser Repressor eigentlich?

Da es ein Protein ist, muss es natürlich auch durch ein Gen codiert werden. Das Gen für den Repressor liegt aber nicht im Operon selbst, sondern an einer anderen Stelle des Bakterium-Genoms. Das Regulatorgen wird ständig transkribiert, so dass das Repressorprotein immer vorliegt.

Ohne Laktose bindet der Repressor an den Operator, so dass die dahinter liegenden Gene nicht transkribiert werden und demnach auch nicht die Enzyme für den Laktose-Abbau vorliegen.

Setzt man die Bakterien nun auf einen Nährboden ohne Glucose, aber stattdessen mit Laktose, werden die Enzyme für den Laktose-Abbau synthetisiert. Die Laktose bindet an das Repressorprotein, so dass dieses nicht mehr an den Operator binden kann. So gibt es für die RNA-Polymerase kein Hindernis mehr und die nachfolgenden Gene können abgelesen und in m-RNA übersetzt werden.

So werden über Proteinbiosynthese die Enzyme zum Abbau der Laktose gebildet. Da beim Lac-Operon die Laktose, also das Substrat, die Transkription von Genen und die Synthese der Enzyme hervorruft, also induziert, spricht man hier von Substratinduktion.

Bei einem anderen bakteriellen Operon, dem Tryptophan-Operon gibt es noch eine weitere Regulationsmöglichkeit. Das Tryptophan-Operon beeinhaltet Gene, die für Enzyme der Tryptophan-Synthese codieren. Tryptophan ist das Endprodukt des Stoffwechselweges.

Beim Tryptophan-Operon gibt es wie beim Lac-Operon einen Operator, an den ein Repressor binden kann und so die Transkription der nachfolgenden Gene unterdrückt. Allerdings ist dieser Repressor von sich aus zunächst inaktiv und kann nicht an den Operator binden, so dass die Gene transkribiert und die Enzyme für die Tryptophan-Synthese hergestellt werden.

Liegt genügend Tryptophan im Bakterium vor, bindet dieses den inaktiven Repressor, der daraufhin aktiviert wird. Dieser aktive Repressor bindet nun am Operator, so dass die Transkription der Gene und die Synthese der Enzyme unterdrückt wird. Es wird dann kein weiteres Tryptophan mehr produziert. Da hier das Tryptophan, also das Endprodukt des Stoffwechselweges, die Transkription von Genen unterdrückt, heißt der ganze Prozess auch Endproduktrepression.

Du hast in diesem Video zwei Genregulationsmöglichkeiten bei Bakterien kennengelernt. Bei Bakterien sind Gene oftmals zu Regulationseinheiten, so genannten Operons zusammengefasst.

Beim Lac-Operon induziert das Substrat Laktose die Transkription von Genen. Daher spricht man dort von Substratinduktion. Beim Tryptophan-Operon kommt es zu einer Repression von Genen durch das Endprodukt des Stoffwechselweges, so dass dieser Prozess Endproduktrepression heißt. Tschüss und bis zum nächsten Mal!

7 Kommentare
  1. Hallo Sahra A.,
    ja, haben wir. Es heißt „Regulation der Genaktivität bei Eukaryoten“. Hier der Link dazu: https://www.sofatutor.com/biologie/videos/regulation-der-genaktivitaet-bei-eukaryoten?topic=260
    Viel Spaß beim Schauen des Videos!
    Beste Grüße aus der Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor 3 Monaten
  2. Habt ihr auch ein Video zu "Genregulation bei Eukaryoten"?

    Von Sahra A., vor 3 Monaten
  3. wirklich tolles video! alles perfekt erklärt und super anschaulich!

    Von Jj Radmann, vor etwa 3 Jahren
  4. gut Erklärt
    endlich mal ein gutes Video
    hat mir stark geholfen

    Von Susanne Honnef, vor mehr als 3 Jahren
  5. Wirklich große hilfe

    Von Nelecoors, vor fast 5 Jahren
  1. Wirklich gut erklärt! Hat mir sehr geholfen, danke schön :)

    Von Alina S., vor fast 5 Jahren
  2. Klassssse prima erklärt und schön langsam und deutlich gesprochen 5sterne

    Von Susanne Honnef, vor fast 5 Jahren
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Genregulation bei Prokaryoten – Steuerung der Genexpression (Basiswissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Genregulation bei Prokaryoten – Steuerung der Genexpression (Basiswissen) kannst du es wiederholen und üben.

  • 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 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.

  • 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.

  • 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.

  • 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. Es findet ein ständiger Lactose-Abbau statt.