Ein- und Zwei Komponentensystme

= sind bakterielle Proteine, welche für die Initiation der Transkription notwendig sind

• sind in der Zelle an RNA-Polymerase gebunden

• vollständige Polymerase + Sigmafaktor = Holoenzym

• Sigma-Faktoren haben hohe Affinität mit Promotor zu binden

  —> Damit erhöht sie die Bindewahrscheinlichkeit des Polymerase-Holoenzyms an die Startstelle des offenen Leserahmens der DNA

= ein Protein das an regulatorisches Element der DNA bindet

• Protein, das für die Initiation der RNA-Polymerase bei der Transkription von Bedeutung ist

• sie binden an DNA und können den Promotor aktivieren oder reprimieren

Stimulus tirfft Sensor —> Sensor verarbeitet und erzeugt Signal in Form eines Moleüls welches dann mit dem Regulator interagiert —> Regulator beeinflusst Operone und die Antwort auf den Stimulus wird generiert

a) specific stress response

• scope and specificity

• Specific stress responses are tailored to particular stressors and activate specialized pathways

• activation of specific genes or pathways

• e.g. response to DNA damage

• no cross-resitance

b) general stress response

• broad and general reaction that bacteria can initiate when facing a variety of stressors.

• works when there is no specific respond system

• e.g. Oxidative Stress, Nutrient deprivation

• broad cross resistance

Szenareio 1:

• Repressor ist konstant an Promotor vom Target Gen gebunden und blockiert —> Transkription geblockt

• wenn inducer (Ligand) an Repressor bindet, dann löst sich Repressor von DNA —> Transkription wird induziert (Induktion)

Szenario 2:

• Repressor wird erst aktiv wenn ein Corepressor (Ligand) bindet

• dieser Komplex bindet an Promotor des Target Gene und repressiert

• fällt der Corepressor ab, verliert Repressor seine Aktiviät —> Derepression

  —> Transkription findet statt

1. De-novo expression of the regulator

2. Allostery: Binding of a small molecule to a regulator protein (one component system)

3. Binding of another protein e.g. an antagonist or “anti-factor”

4. Chemical modification of the regulator e.g. by phosphorylation (two component system) or di-sulfide bond formation (oxidative stress)

5. proteolytic processing of the regulator

6. Sequenstration of the regulator (e.g. interaction with membran porteins)

7. Export of a regulator (e.g. of th anti-sigma factor FlgM)

• Sensorprotein besteht aus zwei Domänen (in Zellmambran lokalisiert)

  • sensory domain: detektiert bestimmt Stimuli aus der Umwelt (Anwesenheit bestimmter Moleküle, Temeratur- und pH-Unterschiede, …)

  • DNA-binding domain: bindet an DNA und kann somit die Trasnkription direkt beeinflussen

• trifft ein Signal auf sensory domain, dann kommt es zur Konformationsänderung

• nach Konformatinsänderung (dimerisierung) ist die regulatorische Funktion (meist DNA-binding domain) aktiviert

• danach kann die DNA-bindende Domäne an DNA bidnen und die Transkription beeinflussen (bestimmte gene werden verstärkt transkribiert oder inhibiert)

• die Zelle produziert dann Protiene die helfen sich an den neuen Umweltreiz anzupassen

• besteh aus zwei Komponenten:

  • Sensor histidin Kinase (Transmembranproteine)

    • hat sensory domain die Umwelteinflüsse detektieren kann

    • trifft ein Reiz auf die Sensory domain läuft eine autophosphorilierung ab —> Phosphtgruppe von ATP wird auf den Histidinrest übertragen =Aktivierung

  • response regulator

    • cytoplasmatische Proteine

    • werden durch aktivierte Sensor Histidin Kinase phosphoriliert

    • response regulator enthält eine reciever domain die am Aspartatrest phsophoriliert werden kann

    • ist sie phosphoriliert liegt sie aktiv vor und kann ihre Funktion ausüben

    • fungiert als Transkriptionsfaktor —> bindet an spezielle gene und kann inhibieren oder Transkrption induzieren

• inducer bindet an aktivator-Protein

• der Komplex bindet an die regulatorische Sequenz und aktiviert das target gene

  —> Transkription wird aktiviert

• entfernt man den Liganden/inducer fällt das Aktivator-Protein ab

  —> Transkription wird gestoppt

Arginin ist der Corepressor

—> gibt man bspw. Arginin zum Medium hinzu, bindet dieses am Represoor (ArgR) und die Synthese von Arginin wird blockiert

• Repressor sitzt konstand am lacOperator (Gen Sequenz auf DNA die für Metabolismus von Lactose verantowrtlich ist) —> Blockade

• erst durch die Zugabe von Lactose wird dieser DNA-Abschnitt benötigt (denn Lacotse wird dann als C-Quelle notwendig und muss abgebaut werden)

• Allulactose wirkt als inducer und bindet an Repressor

• Repressor fällt vom Opertor ab

• Expression der Lac-Gene ist nun möglich

aus Phosphatbindungen

cAMP = cyclisches Monophsphat (second messenger)

CRP = cAMP receptor protein (regulator protein) —> ist ein helix-turn-helix Transkriptionsfaktor

• generell als Reaktion auf einen externen Reiz (z.B. Nähstoffmangel)

• als Reaktion auf das Signal, produziert die Zelle cAMP (Adenylat Cyklase macht aus ATP, cAMP)

• cAMP bindet an CRP was zu einer Konformationänderung führt und der Komplex somit an die DNA bindne kann

• der Komplex bindet an Promotorregionen des Target genes

• dadurch kann die RNA Polymerase besser binden und die Transkription wird initiiert

dies wird meis benötigt wenn Glucose limitiert wird und alternative C-Quellen verstoffwechselt werden müssen

• Adenly cyclase macht aus ATP, cAMP

• Phosphodiesterase macht aus cAMP, AMP

cAMP ist ein Siganlmolekül als Reaktion auf äußerer Reize —> Signaltransduktion

= ist der Transport eines Moleküls durch die Zellemembran wobei Energie verbraucht wird und gleichzeitig eine chemische Umwandlung stattfindet

• Zunächst wird die Phosphatgruppe des PEP auf das E I übertragen (phosphoryliertes E I).

• Die energiereiche Phosphorylgruppe wird vom E I auf das Protein HPr übertragen.

• HPr wiederum gibt die Gruppe an das Enzym E IIA weiter.

• E IIA aktiviert den Glucosecarrier E IIBC, welches ein Monosaccharid wie Glucose aufnimmt, durch die Membran schleust und während des Durchgangs phosphoryliert.

• lacl und lacZYA sind seperate Transkriptions-Einheiten mit jeweils einem eigenen Promotor

• Repressor Lacl bindet and lacO

• das gebundene Protein überlappt den lacZYA-Promotor (lacP) und verurscaht einen DNA-Loop welcher die Transkriptions blockiert

• der Inducer Allolactase bindet an Lacl-Repressor was die Lacl-Affinität für lacO reduziert

• Transkription der Operone findet statt

• in Abwesenheit von Glucsose wird das Phosphat von EIIA(Glc) nicht weitergegebn

• EIIA(Glc) bleibt im phosphoriliertem Zustand und aktiviert die Adenylat-Cyclase

• im dephosphoriliertem Zustand blockiert EIIA die Lactase (Glucose ist bevorzugter Weg)

• Adenylat-Cyklase wandert ATP zu cAMP und

• cAMP-CRP-Komplex bindet und aktiviert lacOperon

Allolactase wird aus Lactose gebildet und dient als natürlicher Induktor des lacOperon

• cAMP wird bei Glucosearmut aus ATP synthetisiert

• cAMP bindet an CRP (cAMP receptor protein)

• der Komplex wirkt als Trankriptionsfaktor und bindet an lacO

• RNA-Polymerase bindet —> Transkription des lacOperons

—> bezeichnet ein Wachstum von Mikroorganismen in Gegenwart von zwei verschiedenen Energiequellen

Sind zwei vom Organismus verwertbare Energiequellen gleichzeitig verfügbar, wird bei Diauxie zunächst nur eine verwertet.

Glucose wird ehr verwertet als Lactose

—> Glucose repressiert die verstoffwechselung von alternativen Zuckern (Repression lacOperon)

• Sensorkinase in der Cytoplasmamembran nimmt Molekül/Signal aus Umwelt wahr

• bindeet ATP und kann sich selbst phosphorilieren

• Phosphattransfer an response regulator

• phosphorilierter response regulator kann an Operator des Gens an der DNA und kann Expression regulieren

• a phosphorylation site: conserved His (H-box)

• a conserved ATP binding site

• ist eine Komplexere Form des Zwei-Komponenten System

• reagier auf mehrere Signaleingänge

• besitzt eine Hybridkinase —> besteht aus Response-Regulator und einen zusätzlichem phosphorylierbarem Histidin Rest = Phosphorelays

• die erste regulatorische Einheit wird durch Sensorkinase Phosphoriliert

• sie leitet dann ihre Phosphoryl-Gruppe an eine zweite Phosphotransferase-Domäne weiter

• Phosphotransfer ist oft reversibel

• Phorsphorealys sind ideal für noise supression and regulatory switches

die Domänen einer typischne SK:

• Membran inserted sensot domain

• linker/HAMP domain

• transmitter domain

Porine sind porenformende Transmembranproteine in der äußeren Membran von gramnegativen Bakterien und Mitochondrien. Sie dienen dem Stoffaustausch durch die Membran hindurch.

• EnvZ (membrane insered SK)

• OmpR (DNA-binding and transcription-activating RR)

low Osmolarity: OmpF

high Osmolarity: OmpC

niedrige Osmolrität:

• OmpR bindet an ompF promoter und aktiviert ompF-Transkription

hohe Osmolarität:

• OmpR-P bindet an ompF und an ompC Promoter was ompC aktiviert und ompF unterdrückt

• wird durch IHF ermöglicht welches zu einer Biegung der DNA führt

—> wenn der Stimulus wegfällt, werden Sensor-Kinase und Response-Regulator dephosphoriliert

• SK wechselt zu autophosphosphatase

• RR haben auch autophosphatase Aktivität welche durch Interaktion mit ausgeschalteter SK stimuliert werden kann

• Phosphorelays haben reverse phospho flow zurück zur primary transmitter domain welche dan dephosphoriliert