27 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 Regulationsmechanismen, die dafür sorgen, dass Gene nur dann aktiv sind, wenn die Zelle die entsprechenden Proteine braucht. Eukaryotenzellen besitzen viele Möglichkeiten der Regulation, bei Prokaryoten gibt es zwei Varianten: Entweder ist ein Gen grundsätzlich abgeschaltet und wird durch bestimmte 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: einem Promotor, der Bindungsstelle für die RNA-Polymerase, einem Operator und einigen Genen, den Strukturgenen. 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 Repressor, ein Proteinmolekül, das durch ein Regulatorgen codiert wird. Bindet der Repressor an den Operator, ist der Promotor blockiert (Schalterstellung „aus“). Kann der Repressor nicht an den Operator binden, startet die Transkription (Schalterstellung „an“). Gene können durch bestimmte Moleküle ein- oder ausgeschaltet werden Steuerung und Regelung Je nach Art und Alter der Zelle liest diese unterschiedliche Gene ab. Anders gesagt: Die Genexpression ist von Zelle zu Zelle verschieden und lässt Zellen unterschiedlich aussehen und arbeiten. Es ist also klar, dass die Genaktivität reguliert werden muss, ansonsten würde jede Zelle ständig alle Proteine herstellen. Induktion – Gene werden eingeschalten Das Operon-Modell wurde 1960 von F. Jakob und J. Monod1 anhand des Abbaus von Milchzucker (Laktose) beim Bakterium Escherichia coli formuliert. Das Lac-Operon ist grundsätzlich ausgeschaltet, weil der Repressor an den Operator bindet (kAbb. 23 oben). Die Anschaltung erfolgt durch das Substrat, das verdaut werden soll, also die Laktose (Milchzucker). Gelangt Laktose in die Zelle, bindet diese an den Repressor und deaktiviert ihn so. Der inaktive Repressor kann nicht mehr an den Operator binden, das Operon wird angeschaltet. Das heißt, die Transkription beginnt und es werden Enzyme gebildet, die Laktose abbauen (kAbb. 23 unten). Ist schließlich die gesamte Laktose abgebaut, nimmt der Repressor wieder die aktive Form an und schaltet das Operon „aus“. Das Substrat bewirkt also die Einschaltung (Substrat-Induktion). 1 Francois Jakob, Jacques L. Monod: französische Molekularbiologen (Nobelpreis 1965), 1920–2013 und 1910–1976 Beim Lac-Operon induziert das Substrat die Transkription, indem es an den Repressor bindet RNA-Polymerase Repressor mRNA aktiver Repressor inaktiver Repressor Substrat (Laktose) Endprodukte (Glukose + Galaktose) Stoffwechselweg Enzym 1 Enzym 2 Enzym 3 Operon (hier speziell das Lac-Operon) Operatorfunktion Promotor Operator Strukturgene Regulatorgen 5’ Transkription Translation an aus + 3’ 5’ Im Operon werden mehrere Strukturgene gemeinsam reguliert. Aktiver Repressor blockiert die Transkription. Das Substrat inaktiviert den Repressor (Substrat-Induktion). Das führt zum Substratabbau. Abb.23: 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. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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