1.5 Genetik von Bakterien und Viren

 

 

Bakterien besitzen, wie schon erwähnt, ein ringförmiges Chromosom und oft einige kleinere DNA-Ringe (= Plasmide). Das Chromosom des Darmbakteriums E. Coli besteht aus 4,7 Millionen Basenpaaren, ist 1 mm lang aber nur 2 nm breit. Die Genkarte mit einigen wichtigen Genorten ist unten abgebildet. E. Coli besitzt 1700 Gene, kann also 1700 Proteine produzieren z. B. das Enzym ß-Galactosidase (Genort gal) für die Spaltung von Lactose.

In Abb. 92 ist ein solcher Genort abgebildet, der Genort des Lac-Operons. Ein Gen besitzt nämlich nicht nur die Information für das Polypeptid, sondern enthält auch noch verschiedene Steuersequenzen, die für die Transkription wichtig sind. Die DNA-Sequenz mit der Polypeptidinformation wird Strukturgen genannt. Die Gesamtheit der Steuersequenzen mit den Strukturgenen nennt man Operon.

Die RNA-Polymerase erkennt das Gen durch den Promotor (Plac), eine typische Nukleotidsequenz, die bei Bakterien entweder TTGACA oder TATAAT ist und vor dem Gen liegt. Weiterhin gehören noch der Operator (O) und ein Regulatorgen (i) mit seinem Promotor (Pi) zu den Steuersequenzen. Damit kann die Genaktivität reguliert werden.

Um Laktose zu verwerten benötigt E.Coli 3 Enzyme, deren Gene (Strukturgene) hintereinander liegen. Hat die Zelle Lactosemangel, sitzt auf dem Operator ein spezielles Protein, das vom Regulatorgen produziert wird: der Repressor. Er verhindert die Ablesung der Strukturgene und damit die Bildung der der m-RNA. So werden keine Enzyme gebildet, die ja auch nicht verwendet werden könnten.

Ist genügend Lactose vorhanden, nimmt die Zelle Laktose auf, diese bindet an den Repressor, der sich daraufhin von der DNA ablöst. Die RNA-Polymerase kann nun an den Promotor binden und die Strukturgene ablesen, mRNA entsteht und damit dieEnzyme, die zur Laktoseverwertung notwendig sind. Bei dieser Steuerung der Genaktivität induziert das Enzymsubstrat (Laktose) die Genablesung, man nennt deshalb diese Form Substratinduktion.

Mit diesem Modell läßt sich gut die Regulation der katabolischen Enzyme erklären. Bei den anabolischen Enzymen, die dann einen neuen Stoff herstellen, wenn er benötigt wird, muß das Modell modifiziert werden.

In Abb. 94 ist das Modell zur Regulation der Tryptophansynthese bei E. Coli zu sehen. Zur Synthese sind 5 Enzyme notwendig. Die Zelle muß nur dann Trp herstellen, wenn Trp im Minimum ist. Bei einem Überangebot an Trp wäre es Verschwendung, die Enyzme der Synthese zu aktivieren. Deshalb ist der Repressor normalerweise inkaktiv und wird durch Trp aktiviert. Dadurch bindet der aktivierte Repressor an den Operator und die Transkription wird verhindert.

Man spricht deshalb auch von Substratrepression. Diese Art der Rückkopplung, daß das Endprodukt einer Synthese Kette seine Produktion hemmt ist sehr verbreitet. (Feedback-Inhibition)

Daneben gibt es noch andere Regulationsformen wie z.B. beim His-Operon oder das Lux-Operon in Vibrio fischeri.

Zusammenfassung:

Katabolische Enzyme: Substratinduktion: viel Substrat fördert seinen Abbau
Anabolische Enzyme: Substratrepression: ausreichend Substrat blockiert seine Synthese.

Konjugation

Bakerien besitzen neben dem einen ringförmigen Chomosom noch oft weitere kleine DNA-Ringe, genannt Plasmide. Diese replizieren sich bei der Zweiteilung durch eine Region, die man Replikationsbereich nennt koordiniert mit, also unabhängig von den Mechanismen der Replikation des Hauptchromosoms. Bei E.Coli hat man viele verschiedene Plasmide gefunden z.B. die F-Plasmide oder die R-Plasmide.

Das F-Plasmid enthält 25 Gene, die u.a. für die Ausbildung einer Proteinröhre ("Sexualpilus") verantwortlich sind, über die DNA von einer Zelle zur anderen übertragen werden kann.

Dabei gibt es Zellen die kein F-Plasmid enthalten (F-) und solche die es haben (F+). Die F+-Zellen ("männlich) können den F-Zellen ("weiblich") eine Kopie des Plasmids übertragen. Damit wird die neue Zelle ebenfalls zur F+-Zelle. (siehe Abb. 95 unten links).

Daneben gibt es noch Zellen, bei denen das Plasmid in das Hauptchromosom integriert ist. Man nennt sie HFr-Zellen. (siehe Abb. 96) Diese können ihre DNA auf F-Zellen übertragen.

Oft wird aber nicht die gesamte DNA übertragen, sondern nur ein Teil, z. B. wenn die Proteinröhre bricht.

Der R-Faktor (= R-Plasmid, = Resistenz-Plasmid) kann bis zu 10 Resistenzgene enthalten, die auf andere Zellen der gleichen und verschiedener Spezies übertragen werden können. Dies ist ein Grund, daß sich die Resistenz eines Bakteriums innerhalb einer Kolonie ausbreiten kann.

Andere Plasmide enthalten Gene zur Herstellung von Antibiotika, zur Produktion von Toxinen, zur Modifikation von Kohlenwasserstoffen oder zur Resistenz gegen Schwermetalle.

 

Abb. 91

Genkarte E-Coli-Chromosom

 

Abb. 92

Lac-Operon

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 93

Regulation der Genaktivität

 

Substratinduktion

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 94

Regulation der Genaktivität

 

Substratrepression

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 95

Konjugation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abb. 96

Konjugation HFr-Zellen

 

 

Weiterführende Quellen:

Realisierung der genet. Information

http://gened.emc.maricopa.edu/bio/bio181/BIOBK/BioBookGENCTRL.html

Genetik von Bakterien http://www.cat.cc.md.us/courses/bio141/pdflg/unit_4.pdf

Lac-Operon

http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/L/LacOperon.html

Nobelpreis 1958 in Physiologie

http://nobelprize.org/medicine/laureates/1958/index.html