Tryptophan-Operon (Endprodukthemmung am Beispiel trp-Operon) - Genregulation Prokaryoten 2/2

Описание: Schauen wir uns den zugrundeliegenden Mechanismus der Genregulation am Beispiel des Tryptophan-Operons genauer an: Die Genregulation erfolgt in Form von Operons. Dabei handelt es sich um einen DNA-Abschnitt, der einen Promotor, einen Operator und die eben angesprochenen Gene, die man als Strukturgene bezeichnet, umfasst. Weil diese Strukturgene für Enzyme für die Tryptophansynthese codieren, nennt man das Operon auch Tryptophan-Operon. Der Promotor ist essentiell, weil an diesem die RNA-Polymerase binden und die Transkription starten kann. Auf diese Weise können die Strukturgene abgelesen und die Enzyme für die Tryptophansynthese hergestellt werden. Wenn wir wissen, dass in Anwesenheit von Tryptophan diese Strukturgene nicht exprimiert werden, dann ist natürlich klar – irgendwo hier muss regulatorisch in den Prozess der Transkription eingegriffen werden – z.B., indem man der RNA-Polymerase die Bindung an den Promotor verwehrt. Und genau das ist der Fall: Es gibt sogenannte Regulatorproteine, die durch ein Regulatorgen exprimiert werden und vor dem Operon liegen. Dieses Regulatorprotein – im Fall des Tryptophan-Operon handelt es sich um ein Repressorprotein oder auch nur kurz Repressor – kann die Transkription reprimieren – hemmen. Voraussetzung dafür ist, dass der Repressor in seiner aktiven Form vorliegt. Dann nämlich weist der Repressor eine äußere Struktur auf, die es ihm erlaubt, nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an den Operator zu binden. Der Repressor passt dann genau in die große Furche der Operator-DNA, wodurch der RNA-Polymerase eine Bindung an den Promotor verwehrt bleibt, sodass die Transkription verhindert wird und die hinter dem Operator liegenden Strukturgene nicht abgelesen werden können. Wenn der Repressor jedoch inaktiv ist, kann dieser nicht an den Operator binden, sodass die Transkription abläuft und Gene zur Tryptophansynthese exprimiert werden.
Ob der Repressor in aktiver oder inaktiver Form vorliegt, ist abhängig von Tryptophan – denn der Repressor verfügt über eine weitere Bindungsstelle für Tryptophan – und infolge der Bindung von Tryptophan an den Repressor verändert dieser seine Konformation - seine äußere Struktur.
Das Regulatorprotein exprimiert einen Repressor, der inaktiv ist. In Abwesenheit von Tryptophan kann der Repressor nicht an den Operator binden. 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 die Synthese von Tryptophan hergestellt werden. Die Konzentration von Tryptophan in der Zelle steigt – vielleicht liegt es bereits in ausreichender Menge der Zelle zur Verfügung. In diesem Fall ist es nicht sinnvoll, wenn die Zelle weiterhin Energie aufwendet für die Synthese von Tryptophan, wenn sie es nicht mehr benötigt. Anders formuliert: Wenn ein bestimmtes Genprodukt – z.B. die Aminosäure Tryptophan – in der Zelle in ausreichender Konzentration vorkommt, ist es energetisch sinnvoll, die weitere Produktion der Enzyme für die Tryptophansynthese abzuschalten.
Je höher die Konzentration von Tryptophan ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass Tryptophan an den Repressor bindet. Dadurch verändert sich die räumliche Struktur des Repressors, wodurch er in seine aktive Form überführt wird. Jetzt kann sich dieser an den Operator heften, wodurch die RNA-Polymerase nicht mehr an den Promotor binden kann. Es wird keine mRNA erzeugt und damit auch keine Enzyme für die Tryptophansynthese. Weil nun die Menge an Tryptophan immer weiter abnimmt, führt dies wiederum dazu, dass Tryptophan nicht mehr am Repressor bindet, wodurch wiederum gewährleistet wird, dass der Stoffwechselweg stattfindet und das Endprodukt wieder hergestellt wird.
Diese äußerst effektive Regulation der Genaktivität ist ein Beispiel der negativen Rückkopplung, die ihr wiederum aus eurem Alltag kennt - z.B. in Form eines Thermostats, der die Temperatur reguliert. Wenn es kalt ist, wird der Wasserzufluss zum Heizkörper frei und der Heizkörper heizt maximal, wodurch wiederum die Temperatur im Raum steigt und ab einer gewissen Temperatur wiederum dazu führt, dass sich der Thermostat wieder teilweise schließt, der Heizkörper weniger stark heizt und es wieder kälter wird.