Ein Blick in die Welt der Gene: Wie Prokaryoten und Eukaryoten ihre Genregulation meistern.
Die Genregulation spielt eine zentrale Rolle bei der Steuerung und Koordination der Genaktivität in Zellen. Ein besonders interessantes Modell zur Genregulation ist das sogenannte Operon-Modell, entwickelt von Francis Jacob und Jacques Monod.
Das Operon-Modell
Das Operon-Modell besteht aus verschiedenen Elementen: dem Operon selbst, dem Promotor, dem Operator und dem Repressor. Das Operon ist eine funktionelle Einheit, bestehend aus einer Gruppe von Genen, die demselben regulatorischen Prozess unterliegen. Der Promotor ist der Startpunkt für die RNA-Polymerase, die für die Transkription der Gene benötigt wird. Der Operator ist ein DNA-Abschnitt, an dem der Repressor binden kann. Der Repressor ist ein Protein, das die Arbeit der RNA-Polymerase blockieren und die Transkription stoppen kann.
Im Fall des Lactose-Operons kann der Repressor jedoch durch Lactose blockiert werden. Die Transkription kann dann ungehindert stattfinden.
Prokaryoten vs. Eukaryoten
Prokaryoten sind Lebewesen ohne Zellkern. Im Vergleich dazu besitzen Eukaryoten einen Zellkern, in dem sich die DNA befindet. Es gibt noch viele weitere Unterschiede zwischen den beiden Zelltypen:
- Prokaryoten haben ein einfacheres Zellgewebe im Vergleich zu den stark kompartimentierten Zellen der Eukaryoten.
- Prokaryoten haben 70S Ribosomen, während Eukaryoten 80S Ribosomen besitzen.
- Beispiele für Prokaryoten sind Bakterien und Archaeen, während zu den Eukaryoten mehrzellige Organismen wie Tiere, Pflanzen, Menschen und Pilze gehören.
Ein visueller Vergleich beider Zelltypen ist in der Abbildung zu sehen:
Die Endosymbiontentheorie
Laut der Endosymbiontentheorie sind Prokaryoten in der Evolution vor den Eukaryoten entstanden. Diese Theorie erklärt das Vorhandensein von Mitochondrien und Chloroplasten in eukaryotischen Zellen. Diese Zellorganellen waren einst eigenständige Prokaryoten, die von anderen Prokaryoten aufgenommen wurden. Es entstand eine Endosymbiose, bei der beide Arten zum beiderseitigen Nutzen zusammenleben. Die innere Membran der Mitochondrien und Chloroplasten stammt vom aufgenommenen Prokaryoten, während die äußere Membran durch Phagozytose entstand. Kurz gesagt, die Eukaryoten entstanden aus der Symbiose von zwei Prokaryoten.
Bakterien
Bakterien gehören zu den Prokaryoten und sind als Krankheitserreger weit verbreitet. Sie sind neben Viren die bekanntesten Krankheitserreger.
Aufbau
Bakterien haben verschiedene strukturelle Merkmale:
- Das Flagellum ermöglicht die aktive Fortbewegung der Bakterien.
- Pilus oder Fimbrien sind Strukturen auf der Bakterienoberfläche, die Haftung oder den Austausch von Plasmiden zwischen Bakterien ermöglichen.
- Manche Bakterien besitzen eine Kapsel aus Polysacchariden, die ihnen ermöglicht, einen Schleim zu bilden und sich vor der Phagozytose zu schützen.
- Die Zellwand von Bakterien besteht aus Murein oder Peptidoglykan, einem Strukturbestandteil der bakteriellen Zellwand.
Ein visueller Einblick in den Aufbau eines Bakteriums:
Vermehrung
Bakterien vermehren sich ungeschlechtlich durch parasexuelle Fortpflanzung oder horizontalen Gentransfer. Es gibt drei verschiedene Möglichkeiten:
- Transformation: Aufnahme freier DNA, beispielsweise im Labor.
- Konjugation: Bakterien bilden einen Fertilitäts- oder Sexpilus aus, über den Plasmide zwischen Bakterien direkt ausgetauscht werden können.
- Transduktion: Bakteriophagen, Viren, übertragen Bakterien-DNA.
Ein visuelles Beispiel eines Bakteriophagen:
Voraussetzungen für eine optimale Vermehrung
Bakterien haben unterschiedliche Präferenzen in Bezug auf pH-Wert, Temperatur und Sauerstoffzufuhr. Manche Bakterien sind aerob und benötigen Sauerstoff, andere sind anaerob und können in sauerstofffreien Umgebungen überleben. Es gibt auch Bakterien, die Sauerstoff tolerieren können, aber nicht darauf angewiesen sind.
Unterschiedliche Bakterienarten
Eine Vielzahl von Bakterienarten unterscheidet sich in ihrer Form, wie in der folgenden Abbildung gezeigt:
Antibiotika
Antibiotika sind Substanzen, die zur Behandlung von Bakterieninfektionen eingesetzt werden. Es gibt zwei Hauptarten von Antibiotika:
- Bakterizide Antibiotika töten Bakterien ab.
- Bakteriostatische Antibiotika hemmen das Wachstum von Bakterien.
Das erste entdeckte Antibiotikum war Penicillin, welches in den 1920er Jahren von Alexander Fleming entdeckt wurde.
Die Genregulation bei Prokaryoten ist ein faszinierendes Thema, das uns ermöglicht, die Vielfalt und Anpassungsfähigkeit von Lebewesen besser zu verstehen.
