Lac-Operon

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Das Lactose-Operon, kurz lac-Operon, ist ein Operon, das sowohl beim Transport, als auch beim Abbau von Lactose in Bakterien beispielsweise Escherichia coli eine wichtige Rolle spielt. Es besteht aus einem Promotor (P), einem Operator (O) und drei Strukturgenen.

• Das lacZ Gen codiert für das Enzym β-Galactosidase (LacZ). Sie hydrolysiert, das heißt spaltet Lactose in Galactose und Glucose, kann aber auch Lactose in Allolactose umwandeln.
• Das lacY Gen codiert für ein Transportprotein namens β-Galactosid-Permease (LacY), welches die Aufnahme von Lactose in die Zelle ermöglicht
• Das lacA Gen codiert für das Enzym β-Galactosid-Transacetylase. Es ist für den Lactoseabbau nicht notwendig, seine Funktion ist bisher unklar.

Diese drei Proteine werden allerdings erst dann exprimiert (hergestellt), wenn Lactose im Umgebungsmedium vorhanden ist und es keine für die Zelle günstigere Energiequelle gibt. Eine solche, vorzuziehende Energiequelle ist z.B. die Glucose. Ein System aus negativer und positiver Regulation steuert den Abbau der effizientesten Energiequelle.

Das lac-Operon wird sowohl negativ durch einen Repressor, als auch positiv durch CAP reguliert. Diese beiden Regulationen bewirken, dass Lactose erst dann, wenn es keine effizientere Alternative gibt, verstoffwechselt werden kann.

Negative Regulation

Die negative Regulation des lac-Operons erfolgt durch einen lac-Repressor (LacI). Dies ist ein Protein, welches an den Operator binden kann. Der Bereich des Operators überschneidet sich mit dem Promotor (P), der Bindestelle der RNA-Polymerase. Sobald sich der Repressor an die DNA angelagert hat, ist eine Expression der nachfolgenden Strukturgene nicht mehr möglich. Der Repressor seinerseits wird von einem Regulatorgen (lacI) codiert. Dieses Gen liegt separat oberhalb des lac-Operons. Da der Repressor mit hoher Affinität an den Operator bindet, ist dieser nahezu ständig reprimiert. So kommt es, dass es in diesem Zustand kaum zur Genexpression kommt. Es wird nur so viel exprimiert, wie für eine zukünftige Induktion an Proteinen notwendig ist.

Der Vorteil dieser negativen Regulation besteht darin, dass, solange keine Lactose verstoffwechselt werden muss, auch keine Enzyme für ihren Abbau bereitgestellt werden müssen.

Positive Regulation

Verantwortlich für die positive Regulation des lac-Operons ist letztendlich CAP, welches dementsprechend auch als Aktivatorprotein bezeichnet wird. Allerdings ist die CAP-Aktivität von der Konzentration des cAMP direkt abhängig. Nur wenn diese beiden Stoffe aneinander binden, können sie die Genexpression positiv beeinflussen. Sie lagern sich an die DNA an und wechselwirken direkt mit der RNA-Polymerase. Dadurch wird die Affinität der RNA-Polymerase zum Promotor deutlich erhöht.

Einfluss der Lactose

Ist Lactose als Energielieferant das effizienteste Substrat in der Umgebung der Zelle, wird sie durch die β-Galactosid-Permease in die Zelle verbracht. Dort wird sie zu einem kleinen Teil durch β-Galactosidase in Allolactose umgewandelt. Dies bedeutet, dass die Gal-β-1,4-Glc-Bindung in eine Gal-β-1,6-Glc-Bindung überführt wird. In dieser Form ist nun eine Anlagerung an den Repressor möglich. Durch diese Anlagerung verändert sich die Konformation des Repressors und er löst sich vom Operator. Nun kann die RNA-Polymerase mit der Transkription beginnen. Durch die nachfolgende Translation werden weitere Lactose-Transportproteine bzw. -Abbauenzyme bereitgestellt. So kann Lactose dauerhaft als Substrat genutzt werden, bis dieses aufgebraucht ist, oder eine bessere Energiequelle zur Verfügung steht.

Einfluss der Glucose

Wie bereits erwähnt, ist es für die Zelle von Vorteil, die Glucose der Lactose als Substrat vorzuziehen. Folglich muss die Präsenz von Glucose den Abbau der Lactose hemmen. Dies geschieht allerdings nicht direkt durch die Glucose selbst. Beim Transport der Glucose in die Zelle wird ein Phosphat vom Transportprotein IIA^Glcauf die Glucose übertragen. Ohne dieses Phosphat ist das Protein nicht mehr in der Lage, die Adenylatcyclase, welche cAMP herstellt, zu aktivieren. Somit sinkt die cAMP-Konzentration allmählich ab. Ohne cAMP kann CAP das Operon nicht positiv regulieren. So kommt es auch bei Anwesenheit von Lactose kaum zur Genexpression. Die Glucose wird demzufolge bevorzugt abgebaut.

Siehe auch

• Operon
• Katabolitrepression und cAMP in Bakterien
• IPTG, XGal, ONPG

Literatur

• F. Jacob & J. Monod (1961): Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins. In: J. Mol. Biol. Bd. 3, S. 318–356. PMID 13718526
• Benno Müller-Hill (2001): Bacterial Transcription Regulation. In: Encyclopedia of Life Sciences. doi:10.1038/npg.els.0003828 (Volltextzugriff)
• Agnes Ullmann (2001): Escherichia coli Lactose Operon. In: Encyclopedia of Life Sciences. doi:10.1038/npg.els.0000849 (Volltextzugriff)
• Wilhelm Seyffert (Hrsg.): Lehrbuch der Genetik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg und Berlin 2003, ISBN 3-8274-1022-3.