Lac Operon / Lactose-Operon Modell - Genregulation durch Substratinduktion [1/2]

Описание: In diesem Video gehen wir der Frage nach, wie Prokaryoten, d.h. Organismen, deren Zellen keinen Zellkern besitzen wie z.B. Bakterien, ihre Genexpression regulieren.
Ordnen wir das ganze mal für das bessere Verständnis ein bisschen ein: Als Gene werden ganz spezifische Abschnitte der DNA bezeichnet, die die Information für die Synthese eines Proteins enthalten. Gene können über den Prozess der Proteinbiosynthese in funktionsfähige Proteine exprimiert werden. Wahrscheinlich habt ihr euch im Unterricht schon mit der Proteinbiosynthese beschäftigt und wisst, dass dieser Vorgang der Synthese von Proteinen zwei Teilschritte umfasst: Einmal die Transkription, bei der die DNA-Sequenz des Gens in einzelsträngige mRNA umgeschrieben bzw. transkribiert wird, und die darauffolgende Translation, bei der die RNA an den Ribosomen in die Aminosäuresequenz eines Proteins übersetzt wird. Zwischen Prokaryoten und Eukaryoten, Zellen mit Zellkern, herrschen z.T. erhebliche Unterschiede, was den Ort und den Ablauf der Proteinbiosynthese betrifft: Die RNA-Prozessierung, die manche von euch als zweiten Schritt zwischen Transkription und Translation im Kopf haben, existiert bei den Prokaryoten nicht.

Über den Prozess der Proteinbiosynthese stellen Prokaryoten also – ebenso wie Eukaryoten – Proteine her. Prokaryoten sparen Energie und Ressourcen, indem sie Proteine nur dann synthetisieren oder behalten, wenn sie benötigt werden – wenn sie die Aktivität ihrer Gene also regulieren. Prinzipiell kann die Genexpression an jeder einzelnen Stelle der Proteinbiosynthese reguliert werden – beispielsweise kann die Transkription der mRNA verhindert werden, oder aber die Translation der mRNA am Ribosom gestoppt werden – ja, selbst, wenn das Protein hergestellt wurde, kann die Funktion des Proteins noch blockiert werden. Auch hier gilt wieder im Sinne der Energieeffizienz: Je früher die Zelle in den Prozess der Proteinbiosynthese eingreift, desto weniger Energie verschwendet sie. Selektiv die Transkription zu hemmen ist energetisch deutlich sinnvoller, als unter Energieaufwand ein Gen zu transkribieren, die mRNA zu translatieren und schließlich erst das entstandene Protein abzubauen. Prokaryoten nutzen den effektivsten Weg der Genregulation – die Regulation der Transkription.

Im Wesentlichen lassen sich bei Prokaryoten zwei Arten der Genregulation unterscheiden – die sogenannte Substratinduktion und die Endproduktrepression bzw. Endprodukthemmung. In diesem Video werden wir uns die Substratinduktion am Beispiel des Substrates Lactose anschauen – im zweiten Teil die Endprodukthemmung anhand von Tryptophan.
Wenn in einer Bakterienzelle kein Lactose vorhanden ist, dann liegt der Repressor in aktiver Form vor – in dieser Form kann der Repressor an den Operator binden, weil der Repressor genau in die große Furche der Operator-DNA passt – eine Bindung nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Dadurch kann die RNA-Polymerase nicht an den Promotor binden, sodass die Transkription verhindert wird. Die Folge ist, dass die drei Strukturgene, welche hinter dem Operator liegen, nicht abgelesen werden. Wenn keine mRNA erzeugt wird, dann werden natürlich auch keine entsprechenden Proteine für den Lactosestoffwechsel produziert – sinnvoll, in einer lactosefreien Umgebung auch keine Proteine für den Lactosestoffwechsel zu synthetisieren.
Normalerweise liegt der Repressor in aktiver Form vor – normalerweise, denn neben der Bindungsstelle für den Operator weist der Repressor eine weitere Bindungsstelle für Lactose auf.
Wenn Lactose in der Zelle vorhanden ist, bindet es an den Repressor, wodurch dieser seine äußere Form, seine Konformation ändert. Infolge der Bindung von Lactose an den Repressor und die damit verbundene Konformationsänderung wird der Repressor in einen inaktiven Zustand überführt. Er ist jetzt inaktiv, weil er nicht mehr an den Operator binden kann. Die Folge ist, dass die RNA-Polymerase an den Promotor binden kann, die Strukturgene in eine – übrigens zusammenhängende - mRNA transkribiert werden und anschließend über die Translation die Enzyme für den Lactosestoffwechsel hergestellt werden. Deshalb heißt die Art der Genregulation auch Substatinduktion. Induktion kommt vom lateinischen inducere für herbeiführen. Das Substrat selbst induziert den Stoffwechselweg – führt diesen herbei.
Fassen wir das nochmal zusammen: Bei der Substratinduktion interagiert das Substrat eines Stoffwechselweges mit einem regulatorischen Protein – dem Repressor – und macht es dadurch dem Repressor unmöglich, an den Operator zu binden, sodass die Transkription stattfinden kann. Die Endprodukthemmung, die wir uns im zweiten Video angucken werden, erfolgt nach einem anderen Prinzip: hier bindet das Produkt eines Stoffwechselweges an ein regulatorisches Protein – dem Repressor – das dann an den Operator binden kann und somit die Transkription zum Erliegen kommt. Wie der Name Endprodukthemmung bereits sagt – das Endprodukt hemmt den Stoffwechselweg.