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Operon- Modell
11.3.2021
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Bio-LK Operon-Model Genregulation bei Prokaryoten ARBEITSBLATT Genregulation am Beispiel der Argininsynthese M1 Syntheseweg der Aminosäure Arginin Die Synthese der Aminosäure Arginin verläuft bei E. coli über die folgenden Schritte (vereinfachtes Schema): Enzym 1 Enzym 2 (OCTase) Enzym 3 M2 Versuchsergebnisse Zellen von E. coli (Wildtyp) wuchsen auf einem Nährbo- den, der Arginin enthielt. Die Zellen wurden gewaschen und so von Arginin befreit. Ein Teil der vorbereiteten Zellen wurde in eine Nährlösung ohne Arginin, der ande- re Teil in eine Nährlösung mit Arginin gegeben. Die Menge an OCTase wurde in beiden Ansätzen nach bestimmten Zeiten bestimmt. M3 Modelle zur Genregulation Modell A Vorstufe Regulator mRNA Modell B mRNA ↓ Regulator Promotor RNA- Polymerase Repressor (aktiv) Repressor (aktiv) Operator Ornithin Promotor Strukturgene S₁ S₂ S3 keine Enzymsynthese Strukturgene Operator MS1 S2 S3 S4 S5 Enzyme + Substrat + Produkt Produkt OCTase-Menge/Bakterium (relative Einheiten) Citrullin 1 Substrat 2 Repressor (inaktiv) Arginin ohne Arginin 0,01 % Arginin 3 S₁ S₂ S3 Produkt Repressor (aktiv) Zellteilungen S₁ S2 S3 S4 S5 Abbauenzyme keine Enzymsynthese mRNA 1. Beschreiben und erklären Sie die Kurvenverläufe in M2. 2. Ordnen Sie die Regulation der Argininsynthese einem der beiden Modelle aus M3 zu und begründen Sie Ihre Entscheidung. 3. Vergleichen Sie die beiden in M3 dargestellten Modelle und begründen Sie, warum es sich hierbei um biologisch sinnvolle, der jeweiligen Stoffwechselsituation angepasste Regulationsmechanismen handelt. 189 ©2006 Schroedel, Braunschweig Operon - Malell Die Steuerungsmechanismen der bakteriellen Genexpression wurden von JACOB und MONOD 1975 im Operon-Modell zusammengefasst. Bei einem Stoffwechselweg sind mehrere Enzyme beteiligt, die jeweils von einem Gen codiert werden. Diese Gene sind bei Bakterien zu einer Transkriptionseinheit zusammengefasst. Die Gengruppe besitzt einen Promotor und kann daher gemeinsam an- oder...
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ausgeschaltet werden. Der zuständige ,,Schalterbereich" heißt Operator und liegt zwischen Promotor und den Genen und kontrolliert den Zugang der RNA-Polymerase zu den codierenden Genbereichen. An ihn kann ein Repressor binden, der von einem Regulatorgen codiert wird. Der Promotor bildet zusammen mit dem Operator und den Strukturgenen (Gene, die für Enzyme codieren) ein Operon. Substratinduktion Bei der Substratinduktion induziert das Substrat das „Anschalten" von Genen, die die Enzyme zu seinem Abbau codieren. Dazu lagert sich das Substrat an den Repressor an, der an den Operator gebunden, also aktiv ist. Der Repressor wird dadurch inaktiviert, der Promotor frei und die RNA-Polymerase kann ansetzen und die Gene transkribieren. Substratinduktion ist v.a. bei abbauenden Synthesewegen zu finden. Beispiel: Lactose-Operon (Lac-Operon) Endproduktrepression Das Vorhandensein des Endproduktes eines aufbauenden Syntheseweges bewirkt die Abschaltung der Gene, die für die notwendigen Enzyme codieren. Das Endprodukt lagert sich dazu an den Repressor an und aktiviert diesen. Durch die Bindung an den Operator wird die RNA-Polymerase am Anlagern gehindert, es werden keine Enzyme mehr hergestellt. Endproduktrepression ist v.a. bei aufbauenden Synthesewegen zu finden. Beispiel: Trypthophan-Operon (trp-Operon)