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So einen ähnlichen Mechanismus als Schutz vor einem Überschuss an bestimmten Stoffen haben auch manche Prokaryoten. Dies macht sich in der Endproduktrepression bemerkbar.
Endproduktrepression – Definition
Der Begriff Repression bedeutet so viel wie Unterdrückung oder allgemeiner gefasst gilt sie als eine Form der Hemmung. Dem Repressor kommt eine solche Rolle zu. Repressoren sind aktiv an der Genregulation beteiligt.
Die Endproduktrepression ist eine Art der Genregulation in Prokaryoten. Dabei hemmt das gebildete Endprodukt in hoher Konzentration einer Stoffwechselkette seine eigene Produktion.
Es sorgt ein Repressor dafür, dass bei hoher Endproduktkonzentration kein weiteres Produkt hergestellt wird. Mehr dazu und konkrete Beispiele findest Du weiter unten im Artikel.
Endproduktrepression – Funktion
Die Endproduktrepression sorgt dafür, dass bei Produktüberschuss nicht noch weiteres Produkt gebildet wird. Dies spart dem Organismus, hier dem Prokaryoten, Energie und Ressourcen.
Dem Organismus stehen nur eine bestimmte Menge an Stoffen zur Verfügung. Diese Ressourcen sind begrenzt und müssen daher sparsam genutzt werden. Durch die Genregulation in Form der Endproduktrepression wird der Umsatz von Ressourcen eingeschränkt. Somit geht der Organismus sparsam mit diesen Stoffen um.
Endproduktrepression – Aufbau der Prokaryoten
Prokaryoten sind einzellige Mikroorganismen ohne Zellkern und nur wenige µm groß. Ihre prokaryotische DNA ist ringförmig und besteht aus einem Doppelstrang.
Die Ring-DNA schwimmt wie jeder Zellbestandteil von Prokaryoten frei im Zellplasma. An ihr setzen viele Mechanismen der Genregulation an.
Zunächst wird die DNA der Prokaryoten abgelesen und durch die Transkription und Translation zu Eiweißen (Proteinen) umgewandelt. Dieser Vorgang kann als Proteinbiosynthese beschrieben werden. Damit dies nicht unkontrolliert geschieht, besitzen Prokaryoten einige Mechanismen der Genregulation. Diese greifen in die Transkription der Gene ein. Ein solcher Regulator der Genregulation ist der Mechanismus der Endproduktrepression.
Die Artikel Prokaryoten und Genregulation findest Du auf der StudySmarter Seite. Dort gewinnst Du einen noch tieferen Einblick in diese Thematiken.
Proteinbiosynthese
Wie im oberen Abschnitt schon erwähnt, wird die Genexpression reguliert, indem die Proteinbiosynthese beeinflusst wird. Hierbei kann eine Genregulation im Rahmen der Transkription oder der Translation auf die Genexpression einwirken.
Als Genexpression bezeichnet man den Vorgang, bei dem ein Gen abgelesen wird und über mehrere Schritte in Proteine umgesetzt werden. Dieser Prozess wird durch die Genregulation beeinflusst.
Die Transkription beschreibt das Erstellen einer Abschrift des Gens, welches exprimiert werden soll. Die entstandene Abschrift dient als Botenmolekül für die Informationen, welche auf dem Gen enthalten sind und wird Messenger-RNA (mRNA) genannt. Im Zuge der Translation werden die mRNAs anschließend an Ribosomen in Aminosäuresequenzen (Proteine) übersetzt.
Wenn Du mehr zu diesen Themen erfahren möchtest, findest Du die weiteren Informationen im Artikel Proteinbiosynthese, Transkription und Translation auf der StudySmarter Seite.
Endproduktrepression – Operon-Modell der Prokaryoten
Das Operon-Modell beschreibt die Genregulation bei Prokaryoten. Die Endproduktrepression bei Prokaryoten läuft im Rahmen dieses Operons ab. Um die Repression zu begreifen, lernst Du zunächst die Theorie hinter dem Operon-Modell kennen.
Das Schema eines Operons
Ein Operon ist aus vier wichtigen Säulen aufgebaut. Zusammengesetzt schaffen diese Säulen Verhältnisse, die zur Genregulation beitragen. In der richtigen Reihenfolge zusammengesetzt stellen sie einen regulierbaren Abschnitt auf der Erbinformation (DNA) der Prokaryoten dar. Das Operon-Modell siehst Du hier in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1: Das Operon-Modell.
1. Der Promotor: Der Promotor ist die Bindungsstelle für die RNA-Polymerase. Der Promotor stellt damit den Startpunkt für die Transkription dar. Diese wird bei der Genregulation beeinflusst.
2. Der Operator: Der Operator stellt die Bindungsstelle für den Repressor dar. Dabei liegt der Operator innerhalb des Operons.
3. Die Strukturgene: Als Strukturgene werden Gene bezeichnet, die nach dem Promotor und Operator folgen. Sie sind die Gene, welche reguliert werden sollen. Dabei kann die Anzahl der regulierten Gene variieren. Sie codieren für bestimmte Proteine, wie Enzyme. Enzyme sind Stoffe, die jeweils spezielle Reaktionen des Stoffwechsels ablaufen lassen. Dabei beschleunigen sie die Bildung verschiedener Produkte. Dadurch kann in der Genregulation indirekt eingegriffen werden.
Proteincodierende Gene sind Abschnitte der DNA, die für ein bestimmtes Protein codieren. Im Zuge der Proteinbiosynthese werden sie in Proteine übersetzt.
4. Die Regulatorgene: Regulatorgene sind die Art von Genen, die für den Repressor codieren. Sie spielen eine wichtige Rolle beim Mechanismus der Endproduktrepression. Die Regulatorgene befinden sich nicht innerhalb des Operons, sondern liegen oftmals schon weit davor. Sie essentiell für den Prozess der Genregulation.
Auch wenn die Regulatorgene zum Operon-Modell gezählt werden, besteht die eigentliche Struktur des Operons nur aus Promotor, Operator und den Strukturgenen. Wie oben schon erwähnt, wird der Repressor aber für die Genregulation der Endproduktrepression benötigt.
Ablauf der Endproduktrepression
Die Endproduktrepression läuft innerhalb des Operons ab. Der Repressor wird von den Regulatorgenen codiert. Wenn diese abgelesen werden, kann der Repressor gebildet werden. Ein Teil der Struktur des Repressors, welches als aktives Zentrum bezeichnet wird, kann an den Operator binden. So kann der Repressor die Proteinbiosynthese beeinflussen und eine Genregulation findet statt.
Diese genaue Passform des aktiven Zentrums des Repressors auf die Stelle am Operator wird als Schlüssel-Schloss-Prinzip bezeichnet. Dieses Prinzip ist häufig in der Biologie anzutreffen. Dabei passen Stoffe (wie hier der Repressor und der Operator) wie Puzzleteile zusammen und gemeinsam lösen sie eine Reaktion aus. Im Fall der Endproduktrepression ist dies die Auslösung der Genregulation durch den Repressor. Genauer, die Blockade der RNA-Polymerase durch den Repressor.
Der Operator wird durch den Repressor blockiert. Die RNA-Polymerase hat somit keine Möglichkeit, an die Strukturgene zu gelangen. Sie kann nur in eine Richtung arbeiten, und zwar vom Promotor über den Operator zu den Strukturgenen. Wird der Operator durch den Repressor blockiert, ist dieser Weg der RNA-Polymerase zu den Strukturgenen versperrt. Dadurch werden diese Strukturgene nicht abgelesen und das Protein, für welches die Gene codieren, kann nicht gebildet werden.
Die Genregulation durch den Repressor hat eingesetzt. Die Endproduktrepression ist dabei reversibel, der Repressor gibt das Operon nach einiger Zeit wieder frei.
Eine reversible Bindung ist eine Form der Bindung, welche sich wieder aufheben lässt. Dadurch ist es möglich, dass der Repressor als An- und Ausschalter für bestimmte Stoffwechselwege fungiert. Einen solchen Weg lernst Du weiter unten im Artikel genauer kennen.
Aktivierung des Repressors
Die Endproduktrepression läuft nicht spontan ab. Es müssen spezielle Bedingungen geschaffen werden, damit es zu dieser Form der Genregulation kommen kann.
Der Repressor liegt am Anfang bei seiner Bildung in der inaktiven Form vor. In dieser Form ist sein aktives Zentrum so verändert, dass der Repressor nicht wie ein Puzzleteil an den Operator passt. Dadurch können die Strukturgene problemlos abgelesen und ihr Produkt gebildet werden. Es findet keine Genregulation in Form der Repression statt.
Nur wenn eine hohe Konzentration des Produktes vorhanden ist, kann dieses auf den Repressor wirken. Somit wird der Repressor aktiviert. Dabei setzt sich dieses Produkt an das allosterische Zentrum des Repressors.
Das allosterische Zentrum ist eine Stelle an Enzymen (hier am Repressor), welche von Stoffen besetzt werden kann. Sie ist an anderer Stelle als das aktive Zentrum. Das allosterische Zentrum kann nicht an den Operator binden.
Durch die Besetzung des allosterischen Zentrums können Enzyme entweder aktiviert oder deaktiviert werden. Dies geschieht durch eine initiierte Gestaltänderung des Enzyms. Diese Änderung wirkt, je nachdem, wie das aktive Zentrum die Gestalt ändert, aktivierend oder hemmend.
Der Repressor ändert durch die Bindung des Produktes seine Gestalt (= Konformationsänderung). Dadurch passt er wie ein Puzzleteil auf den Operator. Dieser Operator wird vom gebundenen Repressor blockiert, was die Genregulation und Endproduktrepression darstellt.
Endproduktrepression deshalb, da die hohe Konzentration des Produktes (meist des Endprodukts) dafür sorgt, dass seine Bildungsreaktion nicht mehr abläuft. Die Genregulation wird durch den Repressor vermittelt. Somit wird bei ausreichender Produktkonzentration kein weiteres Produkt gebildet. Der Vorgang der Produktbildung ist somit einer Repression (durch den zugehörigen Repressor) unterzogen.
Endproduktrepression – Beispiel: Tryptophan
Das bekannteste Beispiel der Endproduktrepression ist das Tryptophan-Operon (trp-Operon). Dieses findet man beispielsweise bei dem häufig genutzten Modell Bakterium E. coli. Wie der Name schon verrät, wird die Bildung des Stoffes Tryptophan (hier das Endprodukt) reguliert.
Das Tryptophan-Operon setzt sich aus folgenden Teilen zusammen:
- Der Operator des Tryptophan-Operons mit der Bindungsstelle für den Repressor
- Der Promotor, an den die RNA Polymerase binden kann
- Die Tryptophan-Gene (hier handelt es sich um 5 Stück), sie stellen hier die zu regulierenden Strukturgene dar und codieren für das Tryptophan
- Das Regulatorgen trp R, durch welches der Repressor entsteht
Der Ablauf der Endproduktrepression im Tryptophan-Operon
Zunächst wird durch das Gen trp R der inaktive Repressor gebildet. Dieser Repressor hat in seiner inaktiven Form keine Möglichkeit, an den Operator zu binden. Es hat an seinem allosterischen Zentrum lediglich eine Stelle, in die das Endprodukt Tryptophan wie ein Puzzleteil hineinpasst.
Tryptophan ist eine proteinogene Aminosäure. Dies bedeutet, dass Tryptophan ein Baustein für verschiedene Eiweiße ist.
Der inaktive Repressor sorgt dafür, dass der Promotor und das Operon frei sind. Die RNA-Polymerase wandert ungehindert am Operon entlang und liest die Tryptophan-Gene ab. Dadurch wird Tryptophan über die Translation gebildet und die Tryptophan Konzentration im E. coli Bakterium steigt.
Dieser Anstieg führt dazu, dass Tryptophan auch an den inaktiven Repressor reversibel bindet. Durch die Bindung von Tryptophan ist der Repressor aktiviert.
Der Gegensatz zur Endproduktrepression ist die Substratinduktion. Zu diesem Thema und zum dazu passenden lac-Operon findest Du den entsprechenden Artikel bei StudySmarter.
Durch die Bindung von Tryptophan ändert der Repressor seine Konformation so, dass er nun eine Bindungsstelle für den Operator des Tryptophan-Operons besitzt. Der Repressor bindet an den Operator und blockiert diesen. Somit beginnt die Genregulation. Die RNA-Polymerase kann nun nicht zu den dahinter geschalteten Tryptophan-Genen gelangen. Ohne RNA-Polymerase Aktivität wird kein neues Tryptophan gebildet. Die Tryptophan Konzentration in E. coli sinkt durch diese Genregulation.
Je mehr Endprodukt entsteht, desto weniger davon wird danach noch produziert. Dieses Prinzip nennt man in der Biologie auch negative Rückkopplung. Viele Prozesse laufen dort nach diesem Motto, je mehr, desto weniger der negativen Rückkopplung ab.
Durch eine niedrige Konzentration löst sich das Tryptophan vom Repressor. Somit ändert sich die Gestalt des Repressors erneut, da Tryptophan nicht mehr das allosterische Zentrum besetzt. Der Repressor bindet nun nicht mehr an den Operator. Die Tryptophan-Gene können wieder von der RNA-Polymerase abgelesen werden und es wird wieder Tryptophan gebildet.
Zusammenfassend hat ein Überschuss des Endprodukts Tryptophan dazu geführt, dass es seine eigene Synthese gestoppt hat (Repression). Damit wird bei Prokaryoten wie E. coli eine Überproduktion der Synthese von Stoffen durch die Endproduktrepression verhindert. In diesem konkreten Fall verhindert das Tryptophan über den Repressor seine eigene Produktion.
Endproduktrepression – Das Wichtigste
- Die Endproduktrepression kommt in Prokaryoten (Organismen ohne Zellkern) vor und ist eine Form der Genregulation.
- Ein Operon besteht aus Strukturgenen, einer Promotorregion, einem Operator, einem Repressor und einem Regulatorgen.
- Bei der Endproduktrepression bindet das Endprodukt bei hoher Konzentration an den Repressor und hemmt damit seine eigene Synthese.
- Durch die Endproduktrepression wird eine Überproduktion von Stoffen verhindert.
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