Die Genregulation

Auf dieser Seite erklären wir euch, was es mit der Genregulation auf sich hat. Hierfür werden folgende Begriffe definiert und erklärt:

Die genetischen Informationen in den Zellen eines Organismus unterscheiden sich nicht voneinander. Dabei gibt es doch viele verschiedene Zelltypen mit unterschiedlichen Funktionen und Aufgaben! Dazu sind unterschiedliche Enzymausstattungen in den Zellen notwendig. Diese entstehen dadurch, dass nicht alle Gene in den Zellen immer zum Einsatz kommen, sondern diese zum Teil gehemmt werden, wenn die entsprechenden Enzyme nicht gebraucht werden.

Prokaryoten

Zur Einführung in das Thema Prokatyoten solltest du dir das Lernvideo zu diesem Thema anschauen!

Operon Modell – Genregulation bei Prokaryoten einfach erklärt – Genregulation 1 | Genetik

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Bei Prokaryoten, wie zum Beispiel dem Bakterium Escherichia coli, spricht man bei der Genregulation vom sogenannten Operon-Modell.

Auf der Ebene der DNA liegen dabei in einem Operon bestimmte Genabschnitte hintereinander:

  • Promotor: Bindungsstelle innerhalb des Operons für die RNA-Polymerase
  • Operator: Bindungsstelle innerhalb des Operons für den Repressor
  • Strukturgene : Codieren für spezifische Enzyme

Vor diesem Operon gibt es noch ein sogenanntes Regulatorgen, welches für einen Repressor codiert und etwas weiter entfernt liegen kann.

Operon

Bei dem Operon-Modell unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Formen der Genregulation:

  • Substratinduktion, welche am Beispiel von Laktose verdeutlicht wird
  • Endproduktrepression, welche am Beispiel von Tryptophan veranschaulicht wird

Substratinduktion am Beispiel des lac-Operons (Abbau von Laktose)

Laktose, oder auch Milchzucker, wird von Bakterien mithilfe des sogenannten lacOperons abgebaut. Zunächst wird aber beschrieben, wie das Operon funktioniert, wenn keine Laktose (also kein Substrat) vorhanden ist.

Das Regulatorgen für das lac-Operon codiert, wenn keine Laktose vorhanden ist, für einen aktiven Repressor. Dieser bindet an den Operator innerhalb des Operons und blockiert den Weg für die RNA-Polymerase, die eigentlich die Strukturgene ablesen und in mRNA umschreiben würde. Die Enzyme, die für den Abbau von Laktose zuständig sind, werden also nicht hergestellt, wenn keine Laktose da ist. Dadurch spart die Zelle viel Energie.

Operon Fortsetzung

Steht dem Bakterium nun Laktose zur Verfügung, bindet der Milchzucker an den (eigentlich) aktiven Repressor und inaktiviert ihn, indem die Raumstruktur verändert wird. Dadurch kann er nicht mehr an den Operator binden und die RNAPolymerase kann die Strukturgene, die für den Abbau von Laktose benötigt werden, ablesen. Die Enzyme, die dann synthetisiert werden, bauen den Milchzucker ab, der Repressor wird nicht mehr inaktiviert und verhindert dann wieder die Synthese weiterer Abbauenzyme.

Abbau von Lactose

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Endproduktrepression am Beispiel des trp-Operons (Synthese von Tryptophan)

Die Aminosäure Tryptophan wird für den Aufbau vieler Proteine benötigt. Bakterien sind (im Gegensatz zu Menschen) dazu in der Lage, diese Aminosäure selbst herzustellen. Die Regulation der Synthese geschieht dabei über das trp-Operon.

Das dem Operon vorgelagerte Regulatorgen codiert für einen inaktiven Repressor. Ist in der Zelle kein oder nur sehr wenig Tryptophan vorhanden, bindet der Repressor nicht an den Operator, sodass die RNA-Polymerase ungehindert die Strukturgene ablesen kann. Aus diesen werden Enzyme synthetisiert, welche für die Produktion von Tryptophan verantwortlich sind.

Abbau von Tryptophan

Steigt nun die Konzentration an Tryptophan, so bindet dieses an den Repressor und aktiviert ihn durch eine Veränderung der Raumstruktur. Der Repressor bindet nun an den Operator und verhindert dadurch, dass die RNAPolymerase die Strukturgene ablesen kann. Die Enzyme, die eigentlich Tryptophan synthetisieren, werden dann nicht mehr hergestellt.

Eukaryoten

Bei Eukaryoten verläuft die Genregulation etwas anders. Hier wird vor allem danach unterschieden, auf welcher Ebene die Regulation stattfindet.

Schau dir zur Einführung in das Thema das passende Lernvideo von Die Merkhilfe an:

Genregulation bei Eukaryoten einfach erklärt – TATA-Box, Enhancer, Silencer etc. – Genregulation 2

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Bestimmte Bereiche der DNA oder der Chromosomen können be sonders dichtverpackt werden, so dass keine Transkription stattfinden kann. Dies kann durch eine Methylierung von Cytosinbasen oder Histonschwänze geschehen. Beides verhindert die Anlagerung sogenannter Transkriptionsfaktoren (regulatorische Proteine), welche dafür zuständig sind, die Genexpression einzuleiten oder zu unterbinden. Dies tun sie, indem sie normalerweise entweder an einen Enhancer binden, der das Ausmaß der Transkription beschleunigt, oder an einen Silencer, der es verlangsamt.

Auch auf der Ebene der mRNA (Regulation der Translation) kann eine Regulierung stattfinden. So können zum Beispiel mehr oder weniger mRNA-Moleküle gebildet werden oder besonders schnell zerfallen, so dass nur wenige Translationsdurchläufe stattfinden. Auch das Spleißen stellt eine Form der Regulation dar. Auf der Ebene der Proteine kann außerdem die Aktivität ebendieser reguliert werden, indem sie durch bestimmte Faktoren aktiviert oder inaktiviert werden.

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