Katabolitrepression

Bei der Katabolitrepression wird die Expression bestimmter Stoffwechselkomponenten (katabolische, also verstoffwechselnde Enzyme) einer Zelle solange unterdrückt, wie ein bestimmtes Stoffwechselprodukt (Katabolit) in signifikanter Menge vorhanden ist.

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Erstmals gezeigt wurde dieser Mechanismus am Beispiel der Glucose, weshalb er früher auch Glucoseeffekt genannt wurde. Aber auch andere Kohlenstoffquellen können für Katabolitrepression verantwortlich sein.

Man bemerkte, das bestimmte Stoffwechselwege eines Bakteriums gehemmt waren (also die Synthese bestimmter Enzyme ausblieb), wenn Glucose im Medium vorhanden war. Bei Abwesenheit bzw. Verbrauch der Glucose wurden die vorher reprimierten Enzyme exprimiert. Besonders deutlich wird dies beim Wachstum von Escherichia coli in einem Medium, welches Lactose und Glucose enthält. Zunächst wächst die Kultur relativ schnell und verbraucht die Glucose, anschließend geht das Wachstum unter Lactoseverbrauch weiter, allerdings langsamer. Beim Wachstum auf Lactose wird bei E. coli das Lactose-Operon induziert. In diesem Falle unterblieb diese Induktion jedoch zunächst zugunsten der Verwertung der im Medium vorhandenen Glucose. Die kurze Phase zwischen vollständiger Verwertung der Glucose und Beginn der Lactoseverwertung beschreibt somit den Zeitraum, indem das Lactose-Operon aktiviert wurde und die lactoseverwertenden Enzyme gebildet wurden.

Der Mechanismus, der diesem Phänomen zugrunde liegt, ist die Katabolitrepression. Glucose hemmt die Adenylatcyclase, ein Enzym, welches aus ATP cyclisches Adenosinmonophosphat (cAMP) synthetisiert. cAMP ist ein universeller intrazellulärer Botenstoff bzw. Signalmolekül (second messenger) und reguliert viele zelluläre Vorgänge. Eine wichtige Funktion von cAMP im hier beschriebenen Kontext ist die Bindung an CAP (Katabolit-Aktivatorprotein), auch CRP (cAMP Rezeptorprotein) genannt. Bei katabolitreprimierten Enzymen kann die RNA-Polymerase nur dann an die DNA binden und die Transkription einleiten, wenn vorher CAP gebunden hat, und dieses bindet nur an DNA, wenn daran cAMP gebunden ist. Verursacht also ein Katabolit ein Absinken der intrazellulären cAMP-Konzentration, so können CAP-abhängige Enzyme nicht gebildet werden. Das Lactose-Operon unterliegt eben diesem Kontrollmechanismus, es ist aber bei weitem nicht das einzige. Da einerseits viele Operi mittels des cAMP-Levels kontrolliert werden, andererseits jedes Operon seine eigenen Regulatoren besitzt (im Falle des lac-Operons: Lactose und der lac-Repressor), ermöglicht dieses einfache Regulationssystem eine globale Modulation des Zellstoffwechsels.