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Das lac-Operon

Aufbau des lac-Operons

Aufbau des lac-Operons

Hier sehen wir den Aufbau des lac-Operons. Die Region R ganz links wollen wir zunächst ignorieren, wir kommen gleich auf sie zurück.

Das eigentliche lac-Operon beginnt mit dem Promotor. Dies ist die Ansatzstelle für die RNA-Polymerase, hier beginnt sie mit der Transkription der lac-Gene.

Es folgt der Operator, eine Region des lac-Operons, die darüber entscheidet, ob die drei Strukturgene transkribiert werden oder nicht.

Nun kommen die drei Strukturgene lac Z, lac Y und lac A. Diese drei Gene enthalten die Informationen zur Herstellung von Enzymen, die für den Abbau der Lactose verantwortlich sind.

Das lac-Z-Gen ist für das Enzym ß-Galactosidase verantwortlich, welches Lactose in seine beiden Bestandteile Glucose und Galactose spaltet. Die Glucose kann dann ganz normal über die Glycolyse abgebaut werden.

Das lac-Y-Gen enthält die Bauanleitung für eine Permease. Das ist ein Enzym, welches sich in die Zellmembran der Bakterienzelle setzt und für den Transport der Lactose in die Zelle hinein verantwortlich ist.

Das lac-A-Gen schließlich codiert eine Transacetylase. Die Funktion dieses Enzyms ist zur Zeit noch nicht vollständig bekannt. Sicher ist nur, dass das Enzym eine Acteylgruppe auf die Lactose überträgt.

Am Terminator stoppt die RNA-Polymerase mit der Transkription.

Ein prokaryotisches Operon besteht aus einem Promotor, einem Operator, einer Reihe von funktionell zusammengehörigen Strukturgenen und einem Terminator.
Der Operator kann von einem Repressor-Protein blockiert werden, das wiederum von einem Regulatorgen codiert wird.

Das Regulatorgen ist für die Expression eines Repressorproteins zuständig

Das Regulatorgen ist für die Expression eines Repressorproteins zuständig

Kommen wir jetzt auf die R-Region ganz links zurück. Das Regulatorgen R codiert die Bauanleitung für ein Repressor-Protein. Die Abbildung zeigt die Bildung des Repressor-Proteins. Das Regulatorgen wird transkribiert, die mRNA translatiert, und das gebildete Protein muss dann noch prozessiert werden (was hier nicht zu sehen ist).

Der Repressor blockiert die RNA-Polymerase

Der Repressor blockiert die RNA-Polymerase

Das Repressor-Protein (oder kurz: der Repressor) setzt sich nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an die Operator-Region des lac-Operons und blockiert dadurch die RNA-Polymerase. Wenn der Repressor am Operator sitzt, kommt sie nicht an dem Repressor vorbei, und die Transkription wird abgebrochen.

Sie haben bestimmt schon überlegt, warum ich das allosterische Zentrum des Repressors so groß gezeichnet habe. Das hat nämlich einen guten Grund. Zwar blockiert der Repressor die RNA-Polymerase, so dass die lac-Strukturgene nicht transkribiert werden können. Wenn aber im Außenmedium genügend Lactose vorhanden ist, so wären die Bakterien ja schön dumm, wenn sie diese Nahrungsquelle nicht verwerten würden. In diesem Falle wäre es durchaus sinnvoll, wenn die lac-Strukturgene transkribiert und translatiert würden, dann könnte mit Hilfe der so produzierten Enzyme die wertvolle Nahrung abgebaut werden.

Lactose setzt sich in das allosterische Zentrum; der Repressor gibt den Weg für die Polymerase frei

Lactose setzt sich in das allosterische Zentrum; der Repressor gibt den Weg für die Polymerase frei

Auf der Abbildung sieht man es sehr schön. Wenn die intrazelluläre Lactose-Konzentration ausreichend hoch ist, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass sich Lactose-Moleküle in das allosterische Zentrum des Repressors setzen. Dieser ändert daraufhin seine Struktur, so wie es allosterische Enzyme immer machen, und löst sich von dem Operator. Der Weg für die RNA-Polymerase ist jetzt frei, und die Transkription der Gene für die drei Lactose-abbauenden Enzyme kann beginnen.

Abbau der Lactose durch die exprimierten Enzyme

Abbau der Lactose durch die exprimierten Enzyme

Durch die Aktivität der Lactose-abbauenden Enzyme sinkt die Lactose-Konzentration in der Zelle. Wenn sich ein Lactose-Molekül in das allosterische Zentrum eines Repressors sitzt, so ist diese Bindung nicht von Dauer. Die Lactose dockt nur locker an, ein paar Millisekunden später kann sich das Molekül auch wieder von dem Repressor lösen, und wieder ein paar Millisekunden später kommt ein anderes Lactose-Molekül und setzt sich wieder in das allosterische Zentrum.

An dieser Stelle ist also dynamisches Denken gefragt, nicht statisches. Wir müssen mit Wahrscheinlichkeiten rechnen. Ein Teil der Repressoren ist zu einem bestimmten Zeitpunkt mit Lactose-Molekülen besetzt, ein anderer Teil ist gerade nicht besetzt. Die Wahrscheinlichkeit, einen mit Lactose besetzten Repressor anzutreffen, wird geringer, wenn die Lactose-Konzentration sinkt. Je mehr Lactose also abgebaut wird, desto unwahrscheinlicher ist es, dass ein Repressor Lactose in seinem allosterischen Zentrum sitzen hat.

Mit sinkender Lactose-Konzentration steigt also die Wahrscheinlichkeit, dass die Operator-Region durch ein Repressor-Molekül blockiert wird, und die Transkriptionsrate sinkt gegen null. Dies ist ja auch sinnvoll, wenn keine Lactose mehr vorhanden ist.

Übrigens wird diese Art und Weise der Genregulation auch Substratinduktion genannt, weil das abzubauende Substrat - in diesem Fall die Lactose - seinen eigenen Abbau induziert (auslöst).

Substratinduktion

Ein Substrat wie Lactose, Glucose etc. löst seinen eigenen Abbau durch Enzyme aus.

Ist die Substratkonzentration gering, so sind die Strukturgene dieser Enzyme durch ein Repressor-Protein blockiert, das am Operator angedockt ist. Die RNA-Polymerase kann die Strukturgene nicht transkribieren.

Ist die Substratkonzentration dagegen hoch, so setzen sich Substrat-Moleküle in die allosterischen Zentren der Repressoren, diese ändern ihre Struktur und lösen sich von den Operatoren und machen den Weg für die RNA-Polymerase frei. Die Strukturgene werden transkribiert und translatiert, es werden Enzyme gebildet, welche das Substrat abbauen. Dadurch sinkt die Substratkonzentration wieder…

Abitur NRW:

Der Aufbau und die Funktionsweise des lac-Operons sollte auf jeden Fall für die mündliche Abiturprüfung gelernt werden. Im Zentralabitur NRW ist das lac-Operon dagegen nach meinem Wissen bisher noch nie in einer Aufgabe abgefragt worden. Aber das kann ja noch kommen…

Interne Links:

Lactose (Lexikon)