Genregulation bei Prokaryoten: Das Operon-Modell

Das Operon-Modell, entwickelt von Jacob und Monod, erklärt die Genregulation bei Prokaryoten am Beispiel von E. coli. Dieses Modell ist fundamental für das Verständnis, wie Bakterien ihre Genexpression an Umweltbedingungen anpassen.

Elemente des Operon-Modells

Das Operon-Modell besteht aus mehreren wichtigen Elementen:

1. Strukturgene: Diese enthalten die genetische Information zur Bildung der Enzyme.
2. Regulatorgen: Es enthält die Information zur Bildung eines Repressorproteins.
3. Repressor: Ein Protein, das die Enzymsynthese unterbinden kann.
4. Operator: Ein DNA-Abschnitt, an den das Repressorprotein reversibel bindet.
5. Promotor: Ein DNA-Abschnitt, an den die RNA-Polymerase bindet.
6. Operon: Der Oberbegriff für den DNA-Abschnitt aus Promotor, Operator und Strukturgen.

Definition: Ein Operon ist eine funktionelle Einheit von Genen bei Prokaryoten, die gemeinsam reguliert und transkribiert werden.

Substratinduktion

Die Substratinduktion ist ein wichtiger Mechanismus der Genregulation:

• Die Enzymbildung wird erst bei Anwesenheit eines bestimmten Substrates (Induktor) ausgelöst.
• Das Repressor-Molekül kann aktiv oder passiv vorliegen.
• Bei Abwesenheit des Substrats ist der Repressor aktiv und bindet an den Operator, wodurch die Transkription und Enzymbildung blockiert werden.
• Bei Anwesenheit des Substrats bindet dieses an das Repressor-Molekül, verändert dessen Gestalt und verhindert die Bindung am Operator.
• Die RNA-Polymerase kann sich dann an den Promotor anlagern, und die Enzyme für den Substratabbau werden gebildet.

Beispiel: Das Lac-Operon-Modell demonstriert die Substratinduktion. E. coli nutzt normalerweise Glucose als Energiequelle. Bei Abwesenheit von Glucose und Anwesenheit von Lactose induziert Lactose seinen eigenen Abbau, indem es sich an den Repressor bindet und die Bildung der Lactose-abbauenden Enzyme ermöglicht.

Endproduktrepression

Die Endproduktrepression ist ein weiterer wichtiger Regulationsmechanismus:

• Das Endprodukt eines Stoffwechselweges unterbindet die Enzymsynthese.
• Der Repressor liegt zunächst inaktiv vor.
• Enzyme eines Stoffwechselweges, der zu dem Endprodukt führt, werden gebildet.
• Liegt das Endprodukt im Überschuss vor, bindet es an den Repressor und aktiviert ihn.
• Der aktivierte Repressor unterbindet die weitere Transkription.

Beispiel: Das Trp-Operon zeigt die Endproduktrepression. Wenn die Aminosäure Tryptophan (Trp) in ausreichend hoher Konzentration vorhanden ist, wirkt Trp als Inhibitor der weiteren Trp-Produktion, indem es sich an den Repressor bindet und ihn aktiviert.

Highlight: Die Genregulation bei Prokaryoten durch das Operon-Modell ermöglicht es Bakterien, effizient auf Umweltveränderungen zu reagieren und ihre Ressourcen optimal zu nutzen.

Diese Mechanismen der Genregulation bei Prokaryoten zeigen die bemerkenswerte Anpassungsfähigkeit von Bakterien an ihre Umgebung und die effiziente Nutzung von Ressourcen.