Genregulation bei Prokaryoten - Vergleich zwischen Pro- und Eukaryoten

Operon-Modell

Francis Jacob und Jacques Monod entwickelten ein Modell zur Genregulation, das sogenannte Operon-Modell.

                                         Vereinfachte Darstellung des Operon-Modells

Folgende Begriffe sind wichtig:

Operon = Gene sind in Form von Funktionseinheiten organisiert (Sammelbegriff für Promotor + Operator + Strukturgene)

Promotor = RNA-Polymerase bindet an der Promotor (Startpunkt)

Operator = DNA-Abschnitt, an dem der Repressor binden kann

Repressor = Ein Protein, welches an den Operator binden kann und somit die Arbeit RNA-Polymerase blockieren kann (Transkription wird angehalten)

Der Repressor kann auch blockiert werden, indem das zuständige Molekül sich an den Repressor bindet z.B. beim Lactose Operon → Lactose. Die Transkription kann dann durch die ungehinderte Arbeit der RNA-Polymerase problemlos ablaufen.                                                                                                                                                                                 

Prokaryoten

Prokaryoten bezeichnet man Lebewesen, die keinen Zellkern besitzen. Es sind jedoch noch mehr Unterschiede zu den Eukaryoten vorhanden:

Prokaryoten	Eukaryoten
- besitzen keinen Zellkern (Kernäquivalent und Plasmide enthalten DNA, DNA frei schwimmend im Cytoplasma)       → Kernäquivalent (= Nucleoid): ein geschlossenes, auf engen Raum gepacktes Bakterienchromosom                    → Plasmide: extrachromosomale, ringförmige DNA → R-Plasmid: Resistenzen gegen Antibiotika, F-Plasmid (= Fertilitätsplasmid): Weitergabe des Plasmids möglich	- besitzen einen Zellkern (DNA befindet sich im Zellkern)
- simpler Aufbau: schwach kompartimiert → besitzen keine Peroxisome, kein Endoplasmatisches Retikulum (= ER), keine Mitochondrien und kein Golgi-Apparat	- stark kompartimiert
- Zellen der Prokaryoten nennt man Prozyten oder Prokaryozyten	- Zellen der Eukaryoten nennt man Euzyten oder Eukaryozyten
- 70S Ribosome → kleine Untereinheit: 30S und große Untereinheit: 50S	- 80S Ribosome → kleine Untereinheit: 40S und große Untereinheit: 60S
- Beispiele: sie bestehen vorwiegend aus einer einzigen Zelle wie Bakterien und Archaeen	- Beispiele: u.a. mehrzellige Organismen wie Tiere, Pflanzen, Menschen sowie Pilze

70S und 80S: S steht für Svedberg → Einheit der Sedimentationskonstante

Vergleich zwischen Prokaryoten und Eukaryoten

Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/83/Celltypes.svg

Endosymbiontentheorie

Nach dieser Theorie sind Prokaryoten in der Evolution vor den Eukaryoten entstanden. Mit dieser Theorie versucht man das Existieren der Doppelmembran bei den Mitochondrien und Chloroplasten zu erklären. Mitochondrien und Chloroplasten waren vor langer Zeit eigenständige Prokaryoten. Dieser eigenständige Prokaryot wurde aber von einem anderen Prokaryoten aufgenommen (durch Phagozytose) und es entstand eine Endosymbiose (= innere Symbiose → Zusammenleben zweier Arten zum beiderseitigen Nutzen). Die innere Membran stammt vom aufgenommenen Prokaryoten und die äußere Membran wurde von dem anderen Prokaryoten im Prozess der Phagozytose angehängt. Kurz gesagt: Die Eukaryoten sind aus der Symbiose von zwei Prokaryoten entstanden.

Bakterien

Bakterien gehören zu den Prokaryoten und sind kleine Lebewesen, die neben den Viren als bekannteste Lebewesen Krankheiten auslösen können.

Aufbau:

Flagellum: Es ermöglicht die aktive Fortbewegung der Bakterien

Pilus (= Fimbrie): Strukturen auf der Bakterienoberfläche → Haftpilus: Adhäsion des Bakteriums an anderen Strukturen möglich, → Konjugationspilus (= Sexpilus): Übertragung des Plasmids zwischen Bakterien möglich (F⁺-Plasmid: Spenderzelle, F^--Plasmid: Empfängerzelle)

Kapsel: Manche Bakterien besitzen eine Kapsel aus Polysacchariden, die Wassermoleküle binden, was ihnen ermöglicht, einen zähen Schleim bilden zu können. Die Kapsel schützt die Bakterien vor der Aufnahme von festen Stoffen (= Phagozytose) z.B. durch die Abwehrzellen des Immunsystems. 

Die Zellwand der Bakterien besteht aus Murein (= Peptidoglykan), welches zu vielschichtigen Strukturen vernetzt wird.

                            Aufbau eines Bakteriums

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Prokaryoten#/media/Datei:Average_prokaryote_cell-_de.svg

Vermehrung:

Bakterien vermehren sich durch Parasexualität oder horizontalem Gentransfer (eine Art der Fortpflanzung ohne die Entstehung von Keimzellen, also ungeschlechtlich). Hierfür sind drei verschiedene Möglichkeiten bekannt:

Transformation: Aufnahme freier DNA (künstlich im Labor)

Konjugation: Bakterien bilden einen Fertilitäts- bzw. Sexpilus aus, über den dann Plasmide zwischen Bakterien direkt ausgetauscht werden können.

Transduktion: Bakterien DNA wird durch Viren übertragen (= Bakteriophagen)

Bakteriophagen = Viren, die auf Prokaryoten spezialisiert sind und Bakterienzellen infizieren

             Bakteriophage

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Bakteriophagen#/media/Datei:11_Hegasy_Phage_T4_Wiki_D_CCBYSA.png

Voraussetzungen für eine optimale Vermehrung (von Bakterienart zu Bakterienart unterschiedlich):

pH-Wert: unterschiedliche Präferenzbereiche

Temperatur: unterschiedliche Präferenzbereiche (z.B. im menschlichen Körper 37 Grad Celsius)

aerob: Sauerstoff muss vorhanden sein   anaerob: ohne Sauerstoff   aerotolerant: Das Überleben in Anwesenheit von Sauerstoff ist möglich, aber kann diesen nicht verstoffwechseln

obligat: zwingend erforderlich z.B. sind obligat aerobe Bakterien zwingend auf Sauerstoff angewiesen                                  fakultativ: nicht zwingend z.B. fakultativ anaerobe Bakterien präferieren die Abwesenheit von Sauerstoff, können sich aber auch in Anwesenheit von Sauerstoff vermehren     capnophil: Kohlenstoffdioxid wird bevorzugt

Unterschiedliche Bakterienarten:

Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Bakterien#/media/Datei:Bacterial_morphology_diagram-de.svg

Antibiotikum:

Man unterscheidet Antibiotika in zwei verschiedene Wirkungsweisen:

Bakterizide Antibiotika: Bakterien werden getötet

Bakteriostatische Antibiotika: Das Wachstum der Bakterien wird gehemmt

Das erste Antibiotikum wurde in den 1920er Jahren von Alexander Fleming entdeckt und hieß Penicillin.