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Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten (Expertenwissen)

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Die Autor*innen
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Maja O.
Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten (Expertenwissen)
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten (Expertenwissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Regulation der Genaktivität bei Prokaryoten (Expertenwissen) kannst du es wiederholen und üben.
  • Nenne den Zweck der Genregulation bei Prokaryoten.

    Tipps

    Die Synthese von Proteinen verbraucht Ressourcen und Energie.

    Drei der Aussagen sind korrekt.

    Lösung

    Sparsam mit den vorhandenen Ressourcen und der zur Verfügung stehenden Energie zu sein, ist nicht nur für den Menschen wichtig. Auch für Prokaryoten ist dies sinnvoll. Denn Sparsamkeit kann ihnen einen evolutiven Vorteil gegenüber weniger sparsamen Individuen ermöglichen.
    Durch die Genregulation werden Enzyme nur dann produziert, wenn sie auch wirklich benötigt werden. Der Stoffwechsel wird an die Umweltbedingungen angepasst, indem die entsprechenden Gene an- oder abgeschaltet werden. Dies spart Energie und Rohstoffe.

  • Gib alle DNA-Abschnitte an, die bei der Genregulation von Prokaryoten eine Rolle spielen.

    Tipps

    Der Promotor ist die Ansatzstelle für die RNA-Polymerase.

    Lösung

    Das Operon-Modell der Forscher Jacob und Monod beschreibt die Genregulation bei Prokaryoten. Es erklärt, ob und wann Enzyme eines Stoffwechselweges hergestellt werden. Die Gene, die für diese Enzyme kodieren, werden gemeinsam reguliert und liegen dazu in einer Einheit, die Operon genannt wird.

    Das Operon besteht aus:
    Promotor (Start für die RNA-Polymerase),
    Operator (kontrolliert mittels Regulatorprotein den Zugang der Polymerase)
    und den Strukturgenen (die für die Enzyme des Stoffwechselweges kodieren).

    Ein weiterer DNA-Abschnitt, der eine entscheidende Rolle für die Genregulation spielt, ist das Regulatorgen. Je nach Operon kann es verschiedene Regulatorgene geben. So können die kodierten Regulatorproteine zum einen Repressoren sein, die im aktivierten Zustand die RNA-Polymerase behindern und die Transkription der Strukturgene verhindern (= Negative Kontrolle).
    Zum anderen können es Aktivatoren sein, die eine verstärkte Bindung der RNA-Polymerase und damit häufigere Transkriptionen der Strukturgene ermöglichen (= Positive Kontrolle).

    Übrigens besitzt natürlich auch das Regulatorgen seinen eigenen Promotor, der aber meist nicht dargestellt wird.

  • Beschreibe die Substrat-Induktion und die Endprodukt-Repression.

    Tipps

    Ein aktiver Repressor lagert sich an das Operon an und blockiert damit die RNA-Polymerase.

    Lösung

    Ob bei der negativen Kontrolle der Repressor aktiviert oder inaktiviert vorliegt, wird durch die An- oder Abwesenheit eines Effektors beeinflusst.

    Ist der Effektor das Endprodukt des Stoffwechselweges, erfolgt die Operonkontrolle als so genannte Endprodukt-Repression. Der zunächst inaktive Repressor wird durch das Endprodukt des Stoffwechselwegs aktiviert und die Strukturgene werden abgeschaltet, sodass nicht noch mehr Endprodukt gebildet wird.

    Ist der Effektor das Substrat, handelt es sich um die Substrat-Induktion. Hier inaktiviert das Substrat den Repressor, sodass die Strukturgene angeschaltet werden und das Substrat in ein Endprodukt umgewandelt werden kann.

  • Bestimme die Art der Genregulation bei dem Arginin-Operon.

    Tipps

    Das Operon kann auf zwei unterschiedliche Arten reguliert werden: entweder durch negative Kontrolle (mittels Repressor) oder durch positive Kontrolle (mittels Aktivator).

    Ob bei der negativen Kontrolle der Repressor aktiviert oder inaktiviert vorliegt, wird durch die An- oder Abwesenheit eines Effektors beeinflusst.

    Ist der Effektor das Endprodukt des Stoffwechselweges, erfolgt die Operonkontrolle als sogenannte Endprodukt-Repression.

    Ist der Effektor das Substrat, handelt es sich um die Substrat-Induktion.

    Beachte die Handlungsanweisung:
    „Wähle die richtige Antwort aus."

    Lösung

    Bei der Genregulation der Arginin-Synthese muss es sich um eine negative Kontrolle handeln, da das Regulatorgen einen Repressor codiert.
    Dieser ist zunächst inaktiv und wird erst durch das Endprodukt des Stoffwechselweges, also Arginin, aktiviert. Die negative Kontrolle liegt also als Endprodukt-Repression vor.
    Eine zusätzliche positive Kontrolle erfolgt hier nicht, denn es gibt keinen Aktivator.

  • Fasse zusammen, auf welchen zwei Wegen ein Operon kontrolliert werden kann.

    Tipps

    Substrate sind Stoffe, die von Enzymen verändert werden, bis ein Endprodukt entsteht.

    Lösung

    Bei der negativen Kontrolle behindert ein aktiver Repressor am Operon die RNA-Polymerase, sodass die Transkription der Strukturgene abgeschaltet wird.

    Die Bindung des Aktivators vor der Polymerase führt bei der positiven Kontrolle dazu, dass die Transkription angeschaltet wird.

  • Werte die Versuchsergebnisse in Hinblick auf das Vorhandensein von Arginin aus.

    Tipps

    Sind die Nährstoffbedingungen ideal, können sich die Bakterien gut vermehren und die Bakteriendichte steigt schnell an.

    Enzyme zur Herstellung von Arginin werden nur benötigt, so lange das Endprodukt nicht (ausreichend) vorhanden ist.

    Lösung

    Werden Bakterien mit Arginin kultiviert, steigt die Bakteriendichte stark an. Die Wachstumsbedingungen sind ideal.
    Fehlt dagegen die lebensnotwendige Aminosäure, setzt das Bakterienwachstum erst mit zeitlicher Verzögerung ein (A1).
    Der Stoffwechsel der Bakterien muss erst an die Umweltbedingungen angepasst werden. Das heißt, bevor die Bakterienanzahl steigen kann, muss zunächst Arginin hergestellt werden.

    Dies wird auch an den Messergebnissen zur Enzymmenge deutlich (A2).
    Fehlt Arginin, produzieren die Bakterien die entsprechenden Enzyme für die Arginin-Herstellung. Der Repressor des Arginin-Operons bleibt inaktiv und die Transkription der Enzyme erfolgt. Die Enzymmenge steigt an. Bei Erreichen der maximalen Enzymmenge steigt zum gleichen Zeitpunkt auch das Bakterienwachstum stark an.$^{1}$
    Ist Arginin vorhanden, verschwenden die Bakterien keine Energie zur Herstellung von Enzymen der Arginin-Synthese. Über die gesamte Versuchsdauer ist keine Enzymproduktion messbar. Arginin bindet an den Repressor des Arginin-Operons und die Enzym-Synthese wird verhindert.

    $^{1}$ Das anschließende Absinken der Enzymmenge ist dadurch zu erklären, dass zu diesem Zeitpunkt so viel Arginin hergestellt wurde, dass die Enzymsynthese wieder teilweise durch den aktiven Arginin-Repressor-Komplex gehemmt wird. Die Enzymmenge pendelt sich anschließend bei einem idealen Wert für das Bakterienwachstum ein. Dies ist sinnvoll, damit nicht mehr Arginin hergestellt wird, als die Bakterien als Nährstoff benötigen. Es werden dadurch wiederum Energie und Rohstoffe eingespart.

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