Genwirkkette – vom Gen zum Merkmal

Entdecke die faszinierende Welt der Genwirkketten: Jedes Gen produziert ein Enzym, das essentiell für Stoffwechselreaktionen ist. Von der Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese bis zu Beadle und Tatums Experimenten – in dieser Zusammenfassung erfährst du, wie Gene das Leben formen.

Inhaltsverzeichnis zum Thema Genwirkkette

Das Quiz zum Thema: Genwirkkette

Was ist eine Genwirkkette?

Frage 1 von 5

Was besagt die Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese?

Frage 2 von 5

Wofür steht die Abkürzung PKU in Bezug auf Genwirkketten?

Frage 3 von 5

Was passiert, wenn ein Enzym in einer Genwirkkette ausfällt?

Frage 4 von 5

Welches Beispiel wird in dem Text genannt, um die Additive Polygenie zu erklären?

Frage 5 von 5

Genwirkkette im Überblick 

  • Die Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese besagt, dass ein Gen die genetische Information für die Synthese eines Polypeptids enthält. Polypeptide können z. B. Enzyme bilden, die an Stoffwechselreaktionen beteiligt sind.

  • Eine Genwirkkette beschreibt die Abfolge voneinander abhängiger, gengesteuerter Stoffwechselreaktionen.

  • Ist ein Gen an mehreren Stoffwechselreaktionen beteiligt, spricht man von Polyphänie. Sind an einem Stoffwechselvorgang bzw. an einer Merkmalsausprägung mehrere Gene beteiligt, ist von Polygenie die Rede.

  • Wird ein polygenes Merkmal nur dann ausgeprägt, wenn alle Genwirkketten zusammenwirken, spricht man von komplementärer Polygenie. Ein Beispiel ist die Gerinnungskaskade bei der Blutgerinnung. Summiert sich die Wirkung mehrerer Genwirkketten, spricht man von additiver Polygenie. Ein Beispiel ist die Färbung von Haut und Haaren.

Genwirkkette: Lernvideo

Quelle sofatutor.com

Genwirkkette – Definition

Eine Genwirkkette ist eine Abfolge voneinander abhängiger, gengesteuerter Stoffwechselreaktionen. Das Schema einer Genwirkkette ist immer ähnlich: Ein Gen A produziert das Enzym A, Gen B ist für die Synthese von Enzym B zuständig und immer so weiter. Deshalb spricht man im Zusammenhang mit der Genwirkkette auch von der Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese. Korrekter ist die Bezeichnung Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese, da ein Enzym aus mehreren Polypeptidketten aufgebaut sein kann. Je komplexer der Stoffwechselvorgang ist, desto mehr Gene und Enzyme sind beteiligt. Die Enzyme katalysieren den Umbau von Stoffen über mehrere Zwischenprodukte zum Endprodukt und sind so allesamt an der Merkmalsausprägung beteiligt. Der Vorgang einer Genwirkkette ist in folgender Abbildung veranschaulicht:

Genwirkkette - voneinander abhängige, gengesteuerte Stoffwechselvorgänge

Experiment von Beadle und Tatum

Entwickelt wurde die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese von den Wissenschaftlern Beadle und Tatum. Sie erzeugten durch Bestrahlung mit Röntgen- oder UV-Strahlen Mangelmutanten des Schimmelpilzes Neurospora crassa, die nicht mehr in der Lage waren, die Aminosäure Arginin selbst zu synthetisieren. Sie wachsen nur auf Nährmedium, die Arginin als Zusatz enthalten. Um den Synthesemechanismus für Arginin zu entschlüsseln, wurde das Wachstumsverhalten verschiedener Neurospora-Mutanten auf Nährböden mit unterschiedlichen Zusätzen getestet. Untersucht wurde die Wirkung von Ornithin und Citrullin. Beide Substanzen sind Vorstufen von Arginin. In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse zusammengefasst. Das Pluszeichen steht für Wachstum, das Minuszeichen für kein Wachstum:

Zugabe von … Mangelmutant Typ 1 Mangelmutant Typ 2 Mangelmutant Typ 3
Arginin + + +
Citrullin + +
Ornithin +
ohne Zusatz

Aus diesen Ergebnissen folgerten Beadle und Tatum, dass die Argininsynthese aus Ornithin über den Zwischenschritt Citrullin erfolgt:

Vorstufe → Ornithin → Citrullin → Arginin

Jeder Schritt wird dabei von einem Enzym katalysiert.  Kommt es zu einem Defekt in der Genwirkkette, ist der gesamte Stoffwechselweg betroffen.

Genwirkkette Phenylalanin

Die Aminosäure Phenylalanin ist Ausgangspunkt für mehrere Genwirkketten. In einem ersten Schritt wird Phenylalanin zu Tyrosin verstoffwechselt. Tyrosin spielt in einigen Stoffwechselvorgängen eine Rolle. Unter anderem wird dabei in einer Genwirkkette Melanin, der Farbstoff für Haut und Haare gebildet, oder es entsteht in einer anderen Genwirkkette das Schilddrüsenhormon Thyroxin.

Was passiert, wenn in einer Genwirkkette ein Enzym, z. B. durch eine Mutation, ausfällt, soll am Beispiel der erblich bedingten Stoffwechselkrankheit Phenylketonurie (PKU) erläutert werden. Das Enzym, das die Umwandlung von Phenylalanin in Tyrosin katalysiert, kann nicht mehr gebildet werden. Phenylalanin und dessen Abbauprodukte reichern sich im Körper an. Das kann eine Störung der Gehirnfunktionen zur Folge haben. Da in dieser Genwirkkette das erste Gen betroffen ist, können auch Melanin und Thyroxin nicht mehr gebildet werden. Wenn kein Melanin mehr gebildet wird, führt der Defekt in dieser Genwirkkette zum Albinismus. Dieses Krankheitsbild ist durch einen Farbstoffmangel in Haut, Haaren und Augen gekennzeichnet. Patienten, die an Albinismus leiden, haben sehr helle Haut und Haare sowie rote Augen. Wie intensiv die Färbung der Haut, Haare und Augen im Normalfall ist, hängt von mehreren Genwirkketten ab. Deren Wirkung summiert sich, man spricht von additiver Polygenie.

Auch ist es möglich, dass durch einen Defekt in einer anderen Genwirkkette überschüssiges Tyrosin nicht mehr vollständig abgebaut werden kann. Ein Zwischenprodukt im Tyrosinabbau ist die Homogentisinsäure. Reichert diese sich an, führt das zu einer Schwarzfärbung des Urins, dem sogenannten Schwarzharn (Alkaptonurie).

Häufig gestellte Fragen zum Thema Genwirkkette

Eine Genwirkkette ist eine Abfolge voneinander abhängiger, gengesteuerter Stoffwechselreaktionen.

Das Schema einer Genwirkkette ist immer ähnlich: Ein Gen A produziert das Enzym A, Gen B ist für die Synthese von Enzym B zuständig und immer so weiter.

Die Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese besagt, dass ein Gen die genetische Information für die Synthese eines Polypeptids enthält. Polypeptide können z. B. Enzyme bilden, die an Stoffwechselreaktionen beteiligt sind.

Während des Prozesses der Proteinbiosynthese werden die Informationen auf bestimmten DNA-Abschnitten in RNA-Moleküle übersetzt. In der RNA ist die Anleitung zur Synthese von Proteinen gespeichert. Im Cytoplasma werden mithilfe dieser Baupläne Polypeptide produziert. Diese sind z. B. Bestandteile von Enzymen, die an allen Stoffwechselvorgängen beteiligt sind.

Bei der Ausprägung eines Merkmals arbeiten in der Regel mehrere dieser Stoffwechselprozesse zusammen, es sind also mehrere Gene beteiligt. So gelangt in der Zelle die genetische Information vom Gen zum Merkmal.

Ist ein Gen an mehreren Stoffwechselreaktionen beteiligt, spricht man von Polyphänie.

Die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese besagt, dass ein Gen für ein bestimmtes Enzym codiert. Enzyme setzen sich in der Regel aber aus mehreren Polypeptiden zusammen. Der Genbegriff wurde daher erweitert: Demnach codiert ein Gen für ein Polypeptid und die Bezeichnung Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese verwendet. Der Genbegriff unterliegt einem ständigen Wandel und wird den aktuellen Erkenntnissen immer wieder angepasst.

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