LF13 - Molekularbiologie (Fach) / Genexpression in Prokaryonten (Lektion)

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• Welche Besonderheiten haben DNA/RNA von Prokaryonten? - DNA befindet sich in Kernäquivalent -> kein Zellekern- ringförmige DNA ohne Histone- DNA ist supercoiled- mehrere Gene pro mRNA ohne Introns -> polycistronisch- Transkription und Translation laufen gleichzeitig ab- Plasmide -> extrachromosomale DNA, ringförmig, unabhängig von DNA verdoppelt, Verteilung auf Tochterzellen verläuft zufällig
• Was ist ein Repressor? Bei welchen Substraten findet er Anwendung? Wie funktioniert er? Repressor -> bei Lacotse, Arabinose und Galactose (=Induktoren)- bindet bei Abwesenheit des Effektors (=Induktor) an den Operator -> Transkription verhindert- ist Induktor vorhanden, bindet dieser an den Repressor -> Konformationsänderung- Repressor löst sich vom Operator-> DNA kann abgelesen werden --> Induktion----> induzierbares Operon
• Was ist ein Aporepressor? Bei welchen Substraten findet er Anwendung? Wie funktioniert er? Aporepressor -> Tryptophan, Arginin und Histidin (als Corepressoren)- ohne Corepressor "schwimmt" Aporepressor in der Nährlösung -> DNA wird abgelesen- bindet Corepressor -> Konformationsänderung des Aporepressors -> bindet an Operator -> Transkription gestoppt---> reprimerbares Operon
• Was ist ein Regulatorprotein? tritt mit Effektor in Kontakt -> führt somit zu einer Konformationsänderung-> Repressor oder Aporepressor
• Was ist ein Effektor? Moleküle, die nicht an die DNA binden können -> tritt mit Regulatorprotein in Kontakt-> sind Signalsubstanzen-> Induktor oder Corepressor
• Was ist ein Regulatorgen? Sequenz, die in Nachbarschaft zum Operon liegen kann -> codiert für Regulatorprotein
• Was ist ein Operator? Reagiert mit Regulatorprotein-> ist Regulatorproein gebunden, kann die DNA nicht abgelesen werden
• Was versteht man unter einem Promotor? Startpubkt der Transkription -> DNA-Sequenz, die von der DNA abhägigen RNA-Polymerase erkannt wird
• Was versteht man unter Strukturgenen? Codieren für Enzyme und Strukturproteine-> aus ihnen wir EINE mRNA abgelesen, die für mehrere Enzyme/Proteine codiert
• Was ist ein Terminator? Ende eines Gens -> Beendigung der mRNA-Synthese
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• Was ist die mRNA? sehr kurzlebige RNA -> die Konzentration an mRNA bestimmt die Häufigkeit der Transkription
• Wie funktioniert das Lac-Operon? Lactose (=Induktor) anwesend:- Repressor bindet an Operator- es findet keine Transkription stattLactose anwesend- Lactose durch Permease in die Zelle transportiert- Lactose von β-Galactosidase zu Allolactose umgebaut- Allolactose bindet an den Repressor -> Konformationsänderung- Repressor löst sich vom Operator- Induktion der Transkription -> Strukturgene für Permease, β-Galactosidase und Transacetylase abgelsen-Transkription findet vor allem dann statt, wenn zusätzlich an den Promotor CAP (= catabolite activator protein) bindet- CAP bindet nur an Pomotor, wenn wenügend hohe cAMP-Konzentration vorhanden
• Wie funktioniert das Trp-Operon? Tryptophan (=Corepressor) anwesend:- Tryptophan bindet an Aprotepressor- Aporepressor bindet an Operator- Transkription wird verhindertsinkende Tryptophan-konzentration:- Affinität des Tryptophans zum Aporepressor sinkt- Tryptophan löst sich vom Aporepressor- Aporepressor ändert Konformation -> löst sich vom Operator- Transkription der Enzyme für die Tryptopgansynthese können abgelesen werden
• Wie ist ein Operon aufgebaut? Promotor + Oerator + Strukturgene + Teminator
• Was passiert beim Wachstum von E.coli wenn sowohl Glucose als auch Lactose vorhanden ist? - bevorzugte Endergie- und c-Quelle ist Glucose -> optimales Wachstum- ist die Glucose aufgebraucht folgt eine lag-Phase -> der Stoffwechsel der E.coli wird auf den Aubbau von Lactose umgestellt- E.coli wachsen auf Lactose langsamer als auf Glucose- bei Umstellung auf Lactoseabbau wird β-Galactosidase hergestellt (-> spaltet Lactose) -> je länger Lactose abgebaut wird, desto mehr β-Galactosidase entsteht
• Wenn sowohl Glucose als auch Lactose vorhanden sind, wachsen E.coli zunächst mit Glucose und erst wenn diese aufgebraucht ist mit Lactose. Was ist der Hintergrund? - bei niedriger Glucosekonzentration wird ATP mit Hilfe von Adenylatcyclase zu cAMP umgebaut- Glucose hemmt die Aktivität der Adenylatcyclase -> cAMP-Konzentration sinkt -> Transkription im Lac-Operon findet wenig bis garnicht stattviel Glucose -> wenig cAMP -> Hemmung lac-Operonwenig Glucose -> viel cAMP -> lac-Operon kann aktiviert werden, unter der Bedingung, dass auch Lactose vorhanden istcAMP bindet an CAP -> bindet an Promotor -> Affinität der RNA-Polymerase zum Promotor stiegt -> Transkription
• Auf welchen Strukturen beruht die Attenuation? - Vor den Strukturgenen sitzt Leitsequenz- Leitsequenz besteht aus 4 Bereichen  -> Teil1: operon reading frame (=ORF) = leitpeptid aus 14 Aminosäuren, davon 2x Trp  -> aus Teil 2 und 3 kann eine große Schleife gebildet werden  -> aus Teil 3 und 4 kann eine kleine Schleife gebildet werden (=Terminationsschreife)- welche Schleife gebildet wird, hängt von Ribosomposition ab -> es kann immer nur eine Schleife gebildet werden
• Beschreibe am Beispiel des trp-Operons, wie die Attenuation funktioniert. kleine Schleife:- bildet sich bei Anwesenheit von Trp -> es muss kein neues Trp gebildet werden- Ribosom folgt der RNA-Polymerase- Ribosom stört die Bildung der großen Schleife, da es Abschnitt 2 der mRNA bindet- es kommt zur Bildung der kleinen Schleife zwischen 3 und 4- Abbruch der Transkription und Translationgroße Schleife:- bildet sich bei Trp-Mangel- Ribosom hält auf Grund des Trp-Mangels in der ORF an -> es muss hier Trp eingebaut werden- Ribosom "wartet" bis Trp eingebaut wird (dauert bei Trp-Mangel länger)- RNA-Polymerase läuft währenddessen weiter- Bildung der großen chleife zwischen 2 und 3- Transkription und Translatio laufen weiter -> Bildung Trp
• Für was dient die Attenuation? Attenuation als Kontrolle auf Translationsebne durch Verzögerung-> Feinregulation
• Was passiert jeweils, wenn viel, mittel viel oder geringe Trp-Konzentration vorhanden ist? Viel Trp:- Aporepressor bindet an Operator -> keine Transkriptionmittel viel Trp:- Aporepressor bindet nicht an Operator- Leader-RNA-Stück gebildet und sofort translatiert- Trp in Leitsequenz eingebaut- Bildung der Terminationsschleife -> Abbruch der Transkriptiongeringe Trp-Konzentration:- Aporepressor bindet nicht an Operator- kein Trp-Einbau in Leitsequenz- Bildung der großen Schleife -> Proteinbildung
• Was ist ein Sigma-Faktor? Welcher Sigma-Faktor ist unter normalen Bedingungen vorhanden? - RNA-Polymerase bei Prokaryonten besteht aus 5 Untereinheiten: β, β', 2xα und Sigma-Faktor- Sigma-Faktor austauschbar- ist für Erkennung des Promotors zuständig -> löst sich von kernenzym das für Polymeraseaktivität zuständig istnormaler Sigma-Faktor: σ70
• Welchen Einfluss hat die Umwelt auf die Sigma-Faktoren? Beschreibe am Beispiel Sigma(32) bei einem Hitzeschock. - RNA-Polymerase kann alternative Sigma-Faktoren binden -> werden zu anderem Promotor dirigiertσ32 bei Hitzeschock:- Bei starken Temperaturerhöhungen wird das Hitzeschockprotein (Hsp) aktiviert- Hsp unter normalen Bedingungen nur in geringen Konzentrationen vorhanden- Hsp bindet an durch Hitze partiell denaturierte Polypeptide -> verhindert Proteinaggregation, Proteinausfall oder ermöglicht Rückfaltung- σ32 unter normalen Bedingungen abgebaut -> Abbau bei Temperaturerhöhung gehemmt- σ32 führt Polymerase zu den "Hitzeschock-Promotoren" 
• Aus welchen Proteinen besteht ein Zweikomponenten-Regulationssystem? SensorkinaseAntwortregulatorprotein
• Was ist eine Sensorkinase? - Transmembranprotein -> phosphoryliert sich im Zellinnern mit Hilfe von ATP selbst nach Kontakt mit Signalmolekül -> Autophosphorylierung- Phosphatgruppe kann auf cytolasmatisches Antwortregulatorprotein übertragen werden- Regulator wird durch Übertragung der Phosphatgruppe aktiviert
• Was ist ein Antwortregulatorprotein? - bindet in phosphoeyliertem Zustand an die DNA -> Verminderung oder Start der Transkription- Phosphorylierung durch Kinasen oder Phosphatasen
• Wie funktioniert die Regulation der Phosphoraufnahme/assimilation über das PhoR/B System (Zweikomponenten-Regulations-System)? Was sind PhoR, PhoB, Pst-Phosphat-Transportsystem und Signal? PhoR = SensorkinasePhoB = AntwortregulatorproteinPst-Phosphat-Transportsystem = Einschleusung von anorganischem Phosphat in die ZelleSignal = Pi-Konzentration in Umgebung und Aktivität des Pst-Phosphat-Transportsystemshohe Phosphatkonzentration:- Komplex aus Pst-Transporter, PhoU und PhoR- Phosphorylierung von PhorR verhindert- Dephosphorylierung von PhoB -> Abschlatung der Pho-Regulationniedrige Phosphatkonzentration:- Komplex aus Pst-Transporter und PhoU-Protein- PhoR dissoziiert ab- Autophosphorylierung von PhoR- Übertragung der Phosphatgruppen von PhoR auf PhoB -> Aktivierung des Pho-Regulons- Genexpression aktiviert
• Was ist die Chemotaxis? Was versteht man unter positiver bzw. negativer Chemotaxis? Welche Organismen können Chemotaxis betreiben? Auf was beruht die Chemotaxis? = Beeinflussung der Bewegungsrichtung von Lebewesen oder Zellen durch Stoffkonzentrationsgradientenpositive Chemotaxis: Bewegung in Richtung eines Stoffs -> Stoff = Lockstoffnegative Chemotaxis: Bewegung weg von einem Stoff -> Stoff = SchreckstoffKann von bakterien betrieben werden -> können Orte mit optimaler Konzentration an Nährstoffen oder Sauerstoff aufsuchen und anere Orte meidenberugt auf Zweikomponenten-Regulationssystem
• Wie können sich Bakterien bewegen? Schwimmen:- gerichtete Bewegung- Geißeln bewegen sich gegen den Uhrzeigersinntaumeln:- gerichtete Bewegung zur Richtungsänderung- Geißeln bewegen sich mit dem Uhrzeigersinn
• Wie reagieren Bakterien auf ein Signal? Sensorprotein: MCP's (=Methyl-Akzeptor-Chemotaxis-Protein):- kommen in Cytoplasmamembran vor -> Transmembranprotein- nehmen gegenwart von abstoßenden und anziehenden Substanzen wahr -> binden diese- treten mit Sensorkinase CheW im Catoplasme in KontaktSensorkinase: CheW:- bewirkt zusammen mit MCP Autophosphorylierung von CheA -> CheA-P- anziehende Stiffe verringern Geschwindigkeit der Phosphorylierung von CheA -> taumeln verhindert -> Bakterien schwimmen- abstoßende Stoffe erhöhen die Geschwindigkeit der Phosphorylierung von CheA -> taumeln- CheA-P phosphoryliert CheY->CheY-PResponseregulator: CheY- steuert Geißelbewegung -> Taumeln: CheY-P tritt mit Geißelmotor in Wechselwirkung -> Einleitung Rotation im Uhrzeigersinn- wenn CheY nicht phosphoryliert, findet keine Bindung an den geißelmotor statt -> Geißeln rotieren gegen den Uhrzeigersinn -> Schwimmen- CheZ dephosphoryliert CheY-P -> versetzt die Bewegung wieder in geradlinigen Verlauf
• Wie können in Prokaryonten den Gene Reguliert werden? Operonmodell:- Substratinduktion (lac-Operon)- Endproduktrepression (trp-Operon)Attenuation: Feinregulierung der Operon-ExpressionKontrollmeachnismen: Katabolitenrepression (CAP mit cAMP)Alternative Sigma-Faktoren: z.B. HitzeschockantwortZwei-Komponenten-Regulationssystem:- PhoR/PhoB-Regulation- ChemotaxisEin-Komponenten-Regulationssystem: nur ein Protein nimmt Signal auf und gibt regulatorische Antwort -> binden ein Molekül und binden direkt an die DNA (Bsp. Lac-Repressor)

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