Eine Bakterienzelle besitzt in etwa 4.300 Gene. Nur ein Teil dieser Gene ist durchgängig aktiv, denn nicht alle Genprodukte werden von der Bakterienzelle ständig benötigt. Viele Gene werden erst bei Bedarf angeschaltet. So können Bakterien auf Schwankungen der Umweltbedingungen oder auf eine Veränderung des Nährstoffangebots reagieren. Eine Art der Genregulation der Prokaryoten ist die sogenannte Substratinduktion.
Genregulation bei Prokaryoten
Die Regulation der Genaktivität wird Genregulation genannt. Es ist wichtig, dass bestimmte Gene nur dann aktiviert sind, wenn sie benötigt werden. Denn die Genexpression ist energieaufwendig und benötigt Ressourcen. Die Zelle kann sich nicht leisten, diese zu verschwenden.
Genexpression ist die Übersetzung von einem Gen in ein Genprodukt. Für Details zu diesem Ablauf schaue Dir die StudySmarter Erklärung zur Proteinbiosynthese an.
Gene, welche zur Energiegewinnung benötigt werden, sind in Zellen durchgehend aktiv. So wird gewährleistet, dass entsprechende Genprodukte (Enzyme) in hoher Konzentration vorhanden sind und die Energiebereitstellung gesichert ist.
Einige Genprodukte, wie Enzyme zur DNA-Reparatur, werden nur dann benötigt, wenn DNA-Schäden vermehrt bspw. aufgrund von UV-Strahlung auftreten. UV-Strahlung aktiviert die Gene der DNA-Reparatur. So wird erreicht, dass diese nur dann abgelesen werden, wenn sie benötigt werden.
Regulation der Genaktivität
Die Organisation der DNA bzw. der Gene unterscheidet sich zwischen Prokaryoten und Eukaryoten. In Prokaryoten liegt die DNA als ringförmiges Molekül vor. Außerdem liegen die Gene teilweise als sogenannte Operons vor.
Ein Operon ist eine Folge von Genen, die von einem Promotor aus transkribiert werden. Häufig handelt es sich um Gene, dessen Genprodukte gemeinsam an Prozessen beteiligt sind (z. B. an einem Stoffwechselweg).
Es handelt sich also um eine Promotorregion, hinter der mehrere Gene folgen. Wird das Operon aktiv, bindet die RNA-Polymerase an der Promotorregion und transkribiert anschließend alle folgenden Gene hintereinander (Transkription).
Ein typisches Beispiel für ein Operon ist das Lactose-Operon (lac-Operon) des Bakteriums Escherichia coli (E. coli).
Lactose-Operon
Das lac-Operon ist ein bekanntes Beispiel für ein Operon bei Bakterien. Es beinhaltet drei Gene, die an der Verstoffwechslung von Lactose beteiligt sind. Die Genprodukte (Enzyme) ermöglichen die Aufnahme und den Abbau von Lactose.
Wenn Lactose in der Umgebung vorhanden ist, wird das lac-Operon aktiviert und die Lactose kann von der Bakterie verwertet werden. Wie dieser Prozess abläuft, erfährst Du in einem späteren Abschnitt dieser Erklärung.
Diese Art der Organisation der Gene hat einen Einfluss auf die Genregulation. Ob ein Gen aktiv ist oder nicht, ist häufig von der Aktivität der RNA-Polymerase und somit von dem Promotor abhängig. Daher werden bei Prokaryoten die Gene eines Operons in der Regel gemeinsam reguliert.
Eine Art der Regulation von Operons bei Prokaryoten ist die sogenannte Substratinduktion und wird Dir in den folgenden Abschnitten am Beispiel des lac-Operons näher erläutert.
Substratinduktion einfach erklärt
Die Substratinduktion ist eine Art der Genregulation bei Prokaryoten. Wie man dem Namen entnehmen kann, handelt es sich um eine Induktion durch das Substrat.
Als Induktion wird die Einleitung eines Stoffwechselweges bezeichnet. Ein Substrat ist der Ausgangsstoff einer enzymatischen Reaktion, welcher im Zuge der Reaktion in ein Produkt umgesetzt wird.
Bei der Substratinduktion handelt es sich also um eine Genregulation, die durch das Substrat aktiviert wird, welches wiederum von den exprimierten Enzymen umgesetzt wird. Das Substrat wirkt als Induktor des Stoffwechselweges.
Das klingt kompliziert, kann aber am Beispiel des lac-Operons dargestellt werden:
Beispiel Substratinduktion
Die Enzyme des lac-Operons sind dazu dar, Lactose in die Zelle zu transportieren und abzubauen. Lactose ist also das Substrat dieses Stoffwechselweges. Die Genregulation durch Substratinduktion bedeutet folglich, dass die Aktivierung bzw. das Ablesen des lac-Operons durch das Vorhandensein von Lactose-Moleküle eingeleitet wird.
Dieses Prinzip ist sehr sinnvoll und effizient. Die Enzyme, die zum Abbau von Lactose benötigt werden, werden nur dann produziert, wenn Lactose vorhanden ist.
Substratinduktion Ablauf
Neben dem Operon spielt ein weiteres Gen bei der Regulation durch Substratinduktion eine Rolle. Das sogenannte Regulatorgen codiert für ein Regulatorprotein (Aktivator oder Repressor), welches Einfluss auf die Transkription nimmt. Das Regulatorgen ist nicht Teil des Operon und muss sich dementsprechend nicht zwingend auf demselben DNA-Abschnitt befinden.
Aktivatoren beschleunigen die katalytischen Reaktion von Enzymen. Binden sie am Promotor, führt das zu einer erhöhten Genaktivität. Repressoren hingegen hemmen die RNA-Polymerase, wodurch die Genaktivität gesenkt oder sogar das Ablesen bestimmter Gene komplett eingestellt wird.
Weiterhin beinhalten Operons sogenannte Operatoren. Diese sind Teil des Promotors und besitzen eine Bindestelle für ein entsprechendes Regulatorprotein. Durch die Bindung des Regulatorproteins wird die Aktivität der RNA-Polymerase beeinflusst.
Bei der Genregulation durch Substratinduktion können zwei verschiedene Zustände vorliegen. Entweder ist das Substrat nicht vorhanden und eine Genexpression wird verhindert, oder das Substrat ist vorhanden und die Gene werden abgelesen.
Substratinduktion Lac-Operon
Am Beispiel des lac-Operons sieht der Ablauf der Substratinduktion wie folgt aus. Das Regulatorgen wird abgelesen und in einen spezifischen Repressor übersetzt. Liegt keine Lactose vor, bindet dieser am Operator des lac-Operons. Dadurch wird das lac-Operon blockiert und die RNA-Polymerase kann die Gene des Operons nicht ablesen. Eine Enzymsynthese bleibt aus (Abbildung 1).
Abbildung 1: Lac-Operon blockiert.
Der Repressor des lac-Operons besitzt eine Bindestelle für Lactose. Bindet Lactose am Repressor, kommt es zu einer Konformationsänderung des Proteins. Dadurch ist der Repressor nicht mehr in der Lage, am Operon zu binden.
Die RNA-Polymerase kann nun die Gene des lac-Operons ablesen bzw. transkribieren. Anschließend werden die mRNAs in die entsprechenden Enzyme übersetzt. Lactose kann jetzt durch die Enzyme vermehrt in die Zelle aufgenommen und verwertet werden. Das Substrat Lactose hat den Stoffwechselweg eingeleitet.
Abbildung 2: Lac-Operon aktiviert.
Enzyme des lac-Operons
Das lac-Operon beinhalten drei Strukturgene. Diese werden bezeichnet als lacZ, lacY und lacA. Diese codieren für die Enzyme ß-Galactosidase (lacZ), Permease (lacY) und Transacetylase (lacA).
Das Enzym ß-Galactosidase spaltet das Disaccharid Lactose in Glucose und Galactose, welche anschließend über eigene Stoffwechselwege in zelluläre Energie abgebaut werden. Permease ist ein Transportprotein, welches in der Zellmembran integriert ist und die Aufnahme von Lactose ermöglicht. Die Bedeutung der Transacetylase ist noch nicht abschließend erforscht.
Substratinduktion und Endproduktrepression – Vergleich
Die Endproduktrepression ist eine weitere Art der Genregulation bei Prokaryoten. Im Gegensatz zur Substratinduktion nimmt nicht das Substrat, sondern das Produkt der Enzymreaktion Einfluss auf die Genaktivität. Wie der Name schon verrät, kommt es bei der Endproduktrepression zur Hemmung der Genaktivität durch das entstehende Produkt.
Eine Endproduktrepression könnte also wie folgt aussehen: In der Ausgangssituation liegt ein Operon und ein inaktivierter Repressor vor. Dieser kann nicht am Operator binden und die Gene werden abgelesen. Die entstehenden Enzyme setzen nun in einer enzymatischen Reaktion ein Produkt frei.
Der inaktivierte Repressor hat eine Bindestelle für das entsprechende Produkt. Durch die Bindung wird der Repressor aktiviert. Dieser bindet am Operator, wodurch das Operon blockiert wird. Wenn also ausreichend Produkte vorhanden sind, wird die Genaktivität gehemmt und eine übermäßige und unnötige Enzymproduktion wird verhindert.
In der StudySmarter Erklärung zur Endproduktrepression erhältst Du tiefere Einblicke in diese Thematik.
| Substratinduktion | Endproduktrepression |
| Regulation durch Substrat | Regulation durch Produkt |
| Ausgangslage (kein Substrat vorhanden): Das Operon ist durch einen Repressor blockiert. Es findet keine Genexpression statt. | Ausgangslage (kein Produkt vorhanden): Das Operon ist nicht blockiert. Eine Genexpression findet statt. |
| Das Substrat der enzymatischen Reaktion aktiviert das Operon. | Das Produkt der enzymatischen Reaktion hemmt das Operon. |
| Beispiel: Lactose-Operon (lac-Operon) | Beispiel: Tryptophan-Operon (trp-Operon) |
Substratinduktion – Das Wichtigste
- In Prokaryoten liegt die DNA als ringförmiges Molekül vor. Außerdem liegen die Gene teilweise als sogenannte Operons vor.
- Ein Operon ist eine Folge von Genen, die von einem Promotor aus transkribiert werden. Häufig handelt es sich um Gene, dessen Genprodukte gemeinsam an Prozessen beteiligt sind.
- Substratinduktion Definition: Bei der Substratinduktion handelt es sich um eine Genregulation, das durch das Substrat aktiviert wird, welches wiederum von den exprimierten Enzymen umgesetzt wird. Das Substrat wirkt als Induktor des Stoffwechselweges.
- Bei der Regulation des lac-Operons wird die Genaktivität durch das Substrat Lactose eingeleitet.
- Die Genprodukte (Enzyme) des lac-Operons dienen zur Aufnahme und Abbau von Lactose und werden nur dann hergestellt (exprimiert), wenn Lactose auch vorliegt.
Nachweise
- Nordheim und Knippers (2018). Molekulare Genetik. Thieme.
- Baron et. al (2012). Grüne Reihe: Genetik. Schroedel.
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