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Die Genregulation ist ein wichtiger Mechanismus, der die Proteinbiosynthese kontrolliert. Alle Lebewesen müssen Genregulation betreiben, damit ihre Zelle(n) genau die richtige Menge an benötigten Proteinen bilden. Sie ermöglicht es Organismen auf Umweltveränderungen zu reagieren und somit anpassungsfähiger zu sein.
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Unter Genregulation versteht man die Steuerung der Aktivität von Genen. Die Genexpression kann als Synonym der Genregulation verstanden werden.
Die Genregulation ist ein wichtiger Mechanismus, der darüber entscheidet, wann Gene abgelesen werden sollen. Doch warum müssen Gene überhaupt reguliert werden?
Die Proteinbiosynthese ist grob in das Umschreiben von DNA in RNA (Transkription) und die Übersetzung der RNA in eine Aminosäuresequenz an den Ribosomen aufgeteilt. Aus der Aminosäuresequenz wird im Anschluss ein Protein gefaltet.
Gene codieren für Proteine. Doch nicht alle Proteine werden in der Zelle immer benötigt. Die unterschiedlichen Zellen haben unterschiedliche Funktionen, weshalb etwa eine Immunzelle andere Enzyme benötigt als eine Muskelzelle, um ihre Aufgabe auszuführen. Zum anderen werden bestimmte Proteine nur in besonderen Situationen benötigt, wie zum Beispiel zur Zellteilung. Aus energetischen Gründen ist es daher sinnvoll, die Synthese von Proteinen zu regulieren.
Durch die Genregulation können Gene also je nach Bedarf an- oder abgeschaltet werden. Gene, die nicht ständig aktiv sind, nennt man regulierte Gene. Hingegen werden Gene, die immer aktiv sind, als konstitutive Gene bezeichnet. Die Genregulation kann bei Prokaryoten und Eukaryoten auf verschiedene Arten gesteuert werden.
Da die Genregulation bei Prokaryoten und Eukaryoten auf anderen Ebenen gesteuert werden kann, wird zwischen den Organismengruppen unterschieden. Generell sind eukaryotische Zellen komplexer und der Transkriptionsvorgang findet im Zellkern statt. Daher sind Transkription und Translation in Eukaryoten räumlich und zeitlich voneinander getrennt. Dadurch ergeben sich in eukaryotischen Zellen mehr Regulationsmöglichkeiten als in prokaryotischen Zellen.
Die Wissenschaftler Francois Jacob und Jacques Monod entdeckten, dass die Gene von Prokaryoten in Funktionseinheiten unterteilt sind. Nämlich in sogenannten Operons. Daher spricht man bei der Genregulation von Prokaryoten vom sogenannten Operon-Modell.
Als Operon bezeichnet man also einen DNA-Abschnitt, der auch als Funktionseinheit verstanden wird. Ein Operon besteht aus dem Promotor, dem Operator und mehreren Strukturgenen. Zudem befindet sich vor dem Operon das Regulator-Gen, das für einen sogenannten Repressor codiert.
Der Promotor ist die Startstelle für die Transkription auf der DNA, während der Operator als Bindungsstelle für den Repressor fungiert. Ein Repressor ist ein Protein, das durch seine Bindung an den Operator die Transkription der Strukturgene blockiert. Strukturgene sind Gene, die für Proteine codieren.
Zudem befindet sich vor dem Operon das Regulator-Gen, das für einen sogenannten Repressor codiert.
Abbildung 1: Schematische Darstellung eines Operons
Beim Operon-Modell unterscheidet man zwischen zwei Arten der Genregulation, die Du in den folgenden Kapiteln kennenlernen wirst.
Bei der Genregulation durch Substratinduktion wird der Repressor durch ein Substrat inaktiviert. Dies löst die Transkription bestimmter Strukturgene aus, da der Repressor nun nicht mehr an den Operator binden kann. Die Genregulation durch Substratinduktion wird auch oft als "positive Genregulation" verstanden.
Ein Substrat ist ein Stoff, der von einem Enzym umgesetzt wird, indem er über das Schlüssel-Schloss-Prinzip an das Enzym bindet.
Ein Beispiel für die Genregulation durch Substratinduktion ist der Abbau von Lactose durch E. coli-Bakterien. Hierbei ist Lactose das Substrat. Befinden sich die Bakterien in einer Umgebung, die keine Lactose enthält, werden die Strukturgene nicht abgelesen, weil der Repressor immer noch an den Operator binden kann.
Sobald jedoch Lactose im Nährmedium enthalten ist, bindet sie in der Bakterienzelle an den Repressor, sodass er nicht mehr an den Operator binden kann. Somit regt Lactose selbst die Synthese bestimmter Enzyme zu ihrem Abbau an. Die Lactose wird daher auch als Induktor verstanden.
Allgemein handelt es sich hierbei um eine Enzyminduktion. Der Induktor ist als ein Wirkstoff zu verstehen, der die Enzymproduktion anregt. Lactose ist als Induktor dafür verantwortlich, dass sich die Konzentration des Enzyms Lactase erhöht.
Abbildung 2: Das Lac-Operon
Bei der Genregulation durch Endproduktrepression aktiviert das Endprodukt einen Repressor und unterdrückt somit die Transkription der Strukturgene.
Ein Beispiel für die Genregulation durch Endproduktrepression ist die Tryptophan-Synthese bei E. coli-Bakterien. Die Strukturgene des Tryptophan-Operons codieren für Enzyme, die für die Synthese der Aminosäure Tryptophan notwendig sind. Je mehr Tryptophan hergestellt wird, desto stärker wird die Synthese dieser Enzyme unterdrückt, denn Tryptophan selbst aktiviert erst den Repressor.
Abbildung 3: Beispiel der Endproduktrepression
Das Endprodukt der Reaktionen, Tryptophan, unterdrückt also die Synthese der Enzyme, die zu seiner Herstellung gebraucht werden. Struktur-, Regulator- und Operatorgene haben bei der Endproduktrepression prinzipiell die gleiche Funktion wie bei der Substratinduktion. Der Unterschied ist, dass der Repressor zunächst inaktiv ist.
Erst durch die Verbindung mit Tryptophan wird er aktiviert und kann sich an den Operator anlagern. So hemmt er die Transkription der Strukturgene. Sinkt die Konzentration von Tryptophan in der Zelle, trennen sich Repressor und Tryptophan, die Transkription kann wieder stattfinden.
Bei Eukaryoten kann die Genregulation auf unterschiedlichen Ebenen und auf viele Arten stattfinden. Die Genregulation dient insbesondere der Steuerung der Entwicklung einer Zelle. Hierfür ist es wichtig, dass zum richtigen Zeitpunkt die richtigen Proteine hergestellt werden, die für die Entwicklung benötigt werden.
Zuerst können Gene bei der Transkription des komplementären RNA-Strangs zum codogenen DNA-Strang reguliert werden. In diesem Stadium der Proteinbiosynthese beeinflussen Transkriptionsfaktoren die Transkription von Genen. Genauer gesagt handelt es sich um Enhancer und Silencer. Während Enhancer die Transkriptionsrate erhöhen, reduzieren Silencer die Transkription des Gens.
Nach der Transkription kann auf der Ebene der Prozessierung der RNA ebenfalls eine Genregulation stattfinden. Beim alternativen Spleißen kann erneut darauf geachtet werden, welche Proteine gerade in der Zelle benötigt werden. Denn die meisten Gene des Menschen können bei der folgenden Translation in mehr als ein Genprodukt übersetzt werden.
Die nicht codierenden Bereiche werden beim alternativen Spleißen herausgeschnitten, sodass die codierenden Bereiche zusammengeschnitten werden. Hierbei können auch Sequenzen der DNA herausgeschnitten werden, die für ein Protein codieren, das nicht benötigt wird.
Du weißt nicht mehr, wie das Spleißen funktioniert? Kein Problem, Du findest hier einen Artikel zu Prozessierung und Spleißen.
Auf der Ebene der Translation können Gene erneut reguliert werden. Zum Beispiel können mehr oder weniger mRNA-Stränge gebildet werden, was die Proteinbiosynthese beeinflusst. Denn je mehr mRNA-Stränge vorhanden sind und je länger ihre Lebenszeit, desto mehr Proteine können im Umkehrschluss auch hergestellt werden.
Außerdem können an den Ribosomen gebundene Proteine die Translation eines mRNA-Strangs blockieren, was daher die Synthese der Aminosäurensequenz verhindert. In diesem Fall ist die Initiationsstelle der ribosomalen Untereinheit blockiert.
Auch nach der Proteinbiosynthese kann noch Genregulation stattfinden, indem Enzymproteine aktiviert oder deaktiviert werden. Einige Enzyme müssen zum Beispiel allosterisch aktiviert werden, damit sie ihrer Aufgabe in der Zelle nachgehen können.
Du möchtest mehr zu Enzymen erfahren? Dann schau Dir auch den Artikel zu Enzymen und zur Enzymaktivität an!
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Was ist eine positive Genregulation?
Unter einer positiven Genregulation versteht man den Ablauf der Genregulation durch Substratinduktion. Hierbei wird die Synthese eines abbauenden Enzyms erst vorangetrieben, sobald auch das entsprechende Substrat vorhanden ist. Dies ist zum Beispiel beim Lac-Operon von E. coli-Bakterien der Fall.
Was macht die Genregulation?
Die Genregulation steuert die Aktivität eines Gens. Sie legt also fest, wann ein Gen transkribiert wird und die Synthese eines Proteins stattfindet.
Wo findet die Genregulation statt?
Die Genregulation findet im sogenannten "Operon" statt. Ein Operon beschreibt eine Funktionseinheit eines Gens und besteht aus Promotor, Operator und Strukturgen. Durch Genregulation und einen aktiven Repressor kann bei Prokaryoten die Transkription des Strukturgens verhindert werden und somit auch die Synthese eines Proteins.
In Eukaryoten findet die Genregulation auf der Ebene der Transkription, RNA-Prozessierung, Translation und nach der Translation statt.
Wie werden Gene reguliert?
Die Genregulation erfolgt bei Eukaryoten und Prokaryoten unterschiedlich. Bei Eukaryoten kann eine Genregulation während der Transkription und Translation durch Silencer und Enhancer, sowie die Höhe der Konzentration Stabilität der mRNA-Stränge beeinflusst werden. Auch nach der Proteinbiosynthese können Enzymproteine aktiviert oder deaktiviert werden. Bei Prokaryoten läuft eine Genregulation entweder durch Substratinduktion oder Endproduktrepression ab.
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Lily Hulatt ist Digital Content Specialist mit über drei Jahren Erfahrung in Content-Strategie und Curriculum-Design. Sie hat 2022 ihren Doktortitel in Englischer Literatur an der Durham University erhalten, dort auch im Fachbereich Englische Studien unterrichtet und an verschiedenen Veröffentlichungen mitgewirkt. Lily ist Expertin für Englische Literatur, Englische Sprache, Geschichte und Philosophie.
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Gabriel Freitas ist AI Engineer mit solider Erfahrung in Softwareentwicklung, maschinellen Lernalgorithmen und generativer KI, einschließlich Anwendungen großer Sprachmodelle (LLMs). Er hat Elektrotechnik an der Universität von São Paulo studiert und macht aktuell seinen MSc in Computertechnik an der Universität von Campinas mit Schwerpunkt auf maschinellem Lernen. Gabriel hat einen starken Hintergrund in Software-Engineering und hat an Projekten zu Computer Vision, Embedded AI und LLM-Anwendungen gearbeitet.
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