am Puls Biologie 8, Schulbuch

25 Grundlagen der Genetik 1.8 Regulation der Genaktivität Nicht alle Gene sind ständig aktiv Dir ist bekannt, dass alle Zellen deines Körpers dieselben Gene enthalten. Warum unterscheiden sich diese Zellen dann? Wie kommt es, dass eine Muskelzelle Muskelproteine herstellt und nicht etwa Verdauungsenzyme oder Haarproteine? Tatsächlich existieren verschiedene Regulations- mechanismen, die dafür sorgen, dass Gene nur dann aktiv sind, wenn die Zelle die entsprechen- den Proteine braucht. Eukaryotenzellen besitzen viele Möglichkeiten der Regulation, bei Prokaryo- ten gibt es zwei Varianten: Entweder ist ein Gen grundsätzlich abgeschaltet und wird durch be- stimmte Stoffe angeschaltet – oder umgekehrt. Beide Fälle der Regulation von Genaktivität können durch das so genannte Operon -Modell beschrieben werden. Ein Operon ist eine funktionelle Einheit, die aus mehreren DNA-Bereichen besteht: Ein Promotor, die Bindungsstelle für die RNA-Polymerase, ein Operator , und einige Gene, die Strukturgene. Die Transkription dieser Gene wird mit dem Operator gesteuert: Er liegt zwischen dem Promotor und den Strukturgenen und ist sozusagen der An- Aus-Schalter. Bedient wird er durch einen Re- pressor , ein Proteinmolekül, das durch ein Regu- latorgen codiert wird. Bindet der Repressor an den Operator, ist der Promotor blockiert (Schal- terstellung „aus“). Kann der Repressor nicht an den Operator binden, startet die Transkription (Schalterstellung „an“). Gene können durch bestimmte Moleküle ein- oder ausge- schaltet werden Steuerung und Regelung Induktion – Gene werden eingeschalten Das Operon-Modell wurde 1960 von F. Jakob und J. Monod 1 anhand der Laktose-Verdauung beim Bakterium Escherichia coli formuliert. Das Lac-Operon ist grundsätzlich ausgeschaltet, weil der Repressor an den Operator bindet ( k Abb. 17 oben). Die Anschaltung erfolgt durch das Subst- rat , das verdaut werden soll, also die Laktose (Milchzucker). Gelangt Laktose in die Zelle, bin- det diese an den Repressor und deaktiviert ihn so. Der inaktive Repressor kann nicht mehr an den Operator binden, das Operon wird angeschaltet. D. h., die Transkription beginnt und es werden Enzyme gebildet, die Laktose abbauen ( k Abb. 17 unten). Ist schließlich die gesamte Laktose ab- gebaut, nimmt der Repressor wieder die aktive Form an uns schaltet das Operon „aus“. Das Substrat induziert also die Einschaltung ( Subst- rat-Induktion ). Beim Lac-Operon in- duziert das Substrat die Transkription, indem es an den Repressor bindet RNA-Polymerase Repressor mRNA aktiver Repressor inaktiver Repressor Substrat (Laktose) Endprodukte (Glukose + Galactose) Stoffwechselweg Enzym 1 Enzym 2 Enzym 3 Operon (hier speziell das Lac-Operon) Operator- funktion Promotor Operator Strukturgene Regulatorgen 5’ Transkription Translation an aus + 3’ 5’ Im Operon werden mehrere Struk- turgene gemeinsam reguliert. Aktiver Repressor blockiert die Transkription. Das Substrat inaktiviert den Repressor: Substratinduktion Das führt zum Substratabbau. Abb.17: Das Lac-Operon. Bei diesem Typ von Operon ist das Gen grundsätzlich ausgeschaltet. Gelangt das Substrat in die Zelle (in diesem Fall Laktose) wird das Gen angeschaltet: Man spricht von Substrat-Induktion. Glossar 1 Francois Jakob (1920–2013) und Jacques L. Monod (1910–1976), französische Molekular- biologen (Nobelpreis 1965) Basiskonzept Steuerung und Regulation: Je nach Art und Alter der Zelle lesen diese unter- schiedliche Gene ab. Anders gesagt: Die Ge- nexpression ist von Zelle zu Zelle verschieden und lässt Zellen unterschiedlich aussehen und arbeiten. Es ist also klar, dass die Genak- tivität reguliert werden muss, ansonsten wür- de jede Zelle ständig alle Proteine herstellen. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv