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Das lac-Operon, Substratinduktion und Endproduktrepression

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

Wie man auf dem Bild sehr gut sieht, setzen sich Lactose-Moleküle in die allosterischen Zentren der Repressor-Proteine. Dadurch verändert sich die Tertiärstruktur des Repressors, und er passt nicht man an die Operator-Region der DNA. Der Repressor löst sich von der DNA und gibt den Weg für die RNA-Polymerase frei. Es wird mRNA gebildet für die Produktion der drei Enzyme, die Lactose abbauen und energetisch verwerten.

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…

Endproduktrepression

Wenn Sie verstanden haben, wie die Substratinduktion funktioniert (Beispiel lac-Operon der Bakterien), dann sollte auch die Endproduktrepression für Sie kein größeres Problem sein. Hier ist quasi alles genau umgekehrt.

Die Bakterie stellt irgendein Endprodukt her, beispielsweise eine benötigte Aminosäure. Dieses Endprodukt wird durch bestimmte Enzyme in mehreren Schritten synthetisiert. Die Bauanweisungen für diese Enzyme liegen in einem Operon auf der DNA. Auch dieses Operon hat einen Promotor und einen Operator, und ein spezielles Regulatorgen sorgt für einen spezifischen Repressor für dieses Operon. Wenn der Repressor am Operator sitzt, kann kein Endprodukt hergestellt werden, weil ja die Gene für die entsprechenden Enzyme blockiert sind. Das Endprodukt soll aber hergestellt werden, weil es wichtig für das Bakterium ist. Also ist das Repressorprotein so aufgebaut, dass es im "Normalzustand" nicht am Operator sitzt. Die RNA-Polymerase kann also die Gene transkribieren, die Ribosomen stellen die Enzyme her, und das Endprodukt kann hergestellt werden. Irgendwann aber reicht es. Dann ist die Endproduktkonzentration hoch genug, und mehr von diesem Stoff wird nicht benötigt.

Bei der Endproduktrepression setzt sich jetzt ein Molekül des Endproduktes in das allosterische Zentrum des Repressorproteins und verändert dadurch dessen Struktur. Im "Normalzustand" konnte sich der Repressor nicht an den Operator setzen. Jetzt aber. Die Transkription der Gene wird also blockiert, es werden keine Enyzme mehr hergestellt, die das Endprodukt produzieren und fertig.

Durch die ständigen Stoffwechselprozesse in der Zelle sinkt die Endprodukt-Konzentration langsam wieder ab. Damit steigt auch die Wahrscheinlichkeit, dass sich Endprodukt-Moleküle aus den allosterischen Zentren der Repressorproteine lösen, und damit gelangen die Repressorproteine wieder in den "Normalzustand", in dem sie nicht mehr an den Operator des Operons passen. Der Weg für die RNA-Polymerase ist wieder frei, die Gene werden transkribiert und translatiert, und die neu entstandenen Enzyme stellen wieder das Endprodukt her.

Wenn die Endprodukt-Konzentration dann wieder hoch genug ist, nimmt die Wahrscheinlichkeit zu, dass ein Repressor ein Endprodukt-Molekül im allosterischen Zentrum sitzen hat und in diesem Zustand sich wieder an den Operator des Operons setzt, um die RNA-Polymerase zu blockieren.

Bei der Endproduktrepression ist der Repressor erst dann "aktiv", wenn sich ein Endprodukt-Molekül in sein allosterisches Zentrum setzt. Dann blockiert der Repressor die Transkription der Gene, und es kann kein neues Endprodukt mehr gebildet werden. Sinkt die Endprodukt-Konzentration, verändert der Repressor seine Struktur und passt nicht mehr an den Operator, so dass die RNA-Polymerase die Gene wieder transkribieren kann, damit neues Endprodukt entsteht.