Das Operonmodell – die regulierten Bakteriengene
Das Darmbakterium Escherichia Coli (E.coli) ernährt sich hauptsächlich von Glukose. Die für den Abbau der Glukose benötigten Enzyme sind in der Zelle vorhanden. Ist die Glukose alle, verhungert E.coli nicht, sondern der Zellstoffwechsel passt sich dem entsprechenden Nahrungsangebot an. Es werden dann nur diejenigen Enzyme produziert, die auf die vorhandene Nahrung (z.B. Milchzucker) spezialisiert sind. Es ist in der Bakterienzelle also geregelt, dass E.coli nur dann entsprechende Enzyme produziert, wenn sie wirklich benötigt werden.
Wie das funktioniert, erklärt das Operonmodell von JACOB und MONOD.
Worum gehts?
Als Erstes eine kurze Übersicht über die beteiligten Strukturen und ihre Funktion. Da hat man erst einmal einen groben Überblick, der sich später noch ausbauen lässt.
Als Zweites wird erläutert, wie grundsätzlich mit dem Operon die Genaktivität reguliert wird.
Auf den Folgeseiten wird anhand verschiedener Beispiel erläutert, wie es funktioniert.
Das Operon
- Abschnitt der DNA, der eine Einheit (Regulationseinheit) bildet.
- Innerhalb dieser Einheit können die Gene aktiviert (Anschalten) oder deaktiviert (Abschalten) werden.
- Es besteht aus einem Promoter, Operator sowie mehreren Strukturgenen.
Promotor
DNA-Abschnitt, der als Bindungsort für die RNA-Polymerase fungiert. Polymerasen benötigen solche Abschnitte, um ihre Arbeit aufnehmen zu können.
Operator (auch: Operator-Gen)
DNA-Abschnitt mit Kontrollfunktion. Es ist der Bindungsort für das Regulatorprotein.
Strukturgene
Gene, die die Information von Proteinen (Enzyme) enthalten und deren Aktivität reguliert wird. Strukturgene eines Operons werden in eine gemeinsame m-RNA transkripiert.
Regulatorprotein - Regulatorgen
Regulatorprotein
- Das Regulatorportein kann sich am Operator anlagern.
- Dadurch kontrolliert es die Arbeit der RNA-Polymerase: Darf sie ablesen oder darf sie nicht. Das Protein verhindert oder befördert somit den Ablesevorgang durch die RNA - Polymerase und damit die Proteinsynthese.
Regulatorgen
- Das Regulatorgen enthält die Information für das Regulatorprotein und kann in der Nähe des Operons liegen.
Effektor
- Das Regulatorprotein wird durch den Effektor kontrolliert.
- Geht der Effektor mit dem Regulatorprotein eine Verbindung ein, verändert das Protein seine räumliche Struktur (allosterischer Effekt).
- Durch diese Effektor-Regulatorprotein-Wechselwirkung bindet das Regulatorprotein am Operon oder löst sich von diesem.
Die Kontrolle des Operons - Das An- und Abschalten der Proteinsynthese
Es gibt zwei Möglickheiten, wie das Operon beeinflusst wird. Dabei geht es um die Wirkung des Regulatorproteins:
- Bei der negativen Kontrolle wird immer durch das Anlagern des Regulatorproteins, die Proteinsynthese unterdrückt.
- Bei der Unterteilung in Enzyminduktion und Enzymrepression geht es um den Einfluss des Effektors (Substrat oder Produkt eines Stoffwechselvorganges)
- Bei der positiven Kontrolle wird durch das Anlagern des Regulatorproteins, der Proteinsynthese angeschoben. Die Gene werden vermehrt abgelesen.
Die positive Kontrolle des Operons wird in der Regel im schulischen Unterricht nicht vermittelt. Es ist deshalb für schulische Zwecke ausreichend, sich nur mit der negativen Kontrolle zu beschäftigen. Eine akademische Ausbildung erfordert sicherlich Kenntnisse über die positive Kontrolle.
Zum Einstieg auf Youtube erklärt...
Negative Kontrolle
- Bei der negativen Kontrolle lagert sich das Regulatorprotein am Operator an und verhindert dadurch die Transkription der Strukturgene.
- Das Regulatorprotein wirkt hier als Repressor.
Enzyminduktion
- Ein Effektor (Substrat) löst die Transkription aus, indem es am Regulatorprotein bindet.
- Das Regulatorprotein wird inaktiv.
- Induktion (lat. inducere; veranlassen): Die Enzymproduktion wird veranlasst.
Enzymrepession
- Ein Effektor (Substrat) blockiert die Transkription, indem es am Regulatorprotein bindet.
- Das Regulatorprotein wird aktiv.
- Repression (lat.: re, zurück ; primere drücken): Die Enzymproduktion wird unterdrückt.
Die negative Kontrolle am Beispiel erklärt.
Positive Kontrolle
- Bei der positiven Kontrolle lagert sich das Regulatorprotein auch am Operator an, befördert aber den Ablesevorgang. Die Transkription wird verstärkt.
- Das Regulatorportein wirkt hier als Aktivator.
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