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Auch Glucose steuert das lac-Operon

Lactose ist ein Disaccharid und besteht aus je einem Glucose- und einem Galactose-Molekül. Bei der "Verdauung" von Lactose wird das Molekül zunächst in seine beiden Bausteine gespalten, bereits das ist schon ein energieaufwändiger Prozess. Mit der Galactose kann die Bakterienzelle nicht viel anfangen, daher wird dieses Monosaccharid in Glucose umgewandelt - ebenfalls ein energieaufwändiger Prozess. Am Ende haben wir also zwei Glucose-Moleküle vorliegen, die aus der Lactose gewonnen wurden - eines direkt, das andere durch Umwandlung der Galactose. Die Glucose fließt nun direkt in die Glycolyse ein, dann in den Citratzyklus und schließlich in die Atmungskette.

Was geschieht eigentlich, wenn man Bakterien gleichzeitig Lactose und Glucose als Nährstoff anbietet? Wie durch die obigen Ausführungen hoffentlich klar geworden ist, ist Glucose für die Bakterien wesentlich attraktiver als Lactose, da hier nichts mehr zerlegt werden muss. Es würde also durchaus Sinn machen, wenn die Bakterien zunächst die vorhandene Glucose abbauen und die Lactose ignorieren würden. Und genau das passiert auch in der Realität. In Anwesenheit von Glucose findet keine lac-Transkription statt, auch dann nicht, wenn genügend Lactose zur Verfügung steht.

Mechanismus der Steuerung

Neben Repressoren, die die RNA-Polymerase blockieren, gibt es auch Aktivator-Proteine, welche die Polymerase aktivieren (fördern, beschleunigen). Im Falle des lac-Operons heißt dieser Aktivator CAP. CAP ist die Abkürzung für "catabolic activator proteine".

In Abwesenheit von Glucose ist CAP aktiv und fördert die Transkription der lac-Strukturgene, falls nicht gerade der lac-Repressor die RNA-Polymerase blockiert. Ist jedoch viel Glucose anwesend, so ist CAP passiv, und die Transkription der lac-Strukturgene wird nicht gefördert - allerdings auch nicht durch das passive CAP behindert. Man könnte also sagen: Die Transkription läuft mit "normaler" Geschwindigkeit ab, aber nicht mit erhöhter Geschwindigkeit.

Wenig Glucose ===> CAP ist aktiv ===> hohe Transkriptionsrate

Viel Glucose ===> CAP ist passiv ===> normale Transkriptionsrate

Die nächste Frage ist nun, wie schafft es die Glucose, den CAP-Aktivator in den passiven Zustand zu versetzen?

Dafür ist der sekundäre Botenstoff cAMP zuständig, ein kleines Molekül, das Sie vielleicht schon im Neurophysiologie-Kurs kennengelernt haben. Das CAP-Protein hat ein allosterisches Zentrum, in das ein cAMP-Molekül hineinpasst (Schlüssel-Schloss-Prinzip). CAP ist nur dann aktiv, wenn das allosterische Zentrum durch cAMP besetzt ist. Nur dieser CAP/cAMP-Komplex kann als Aktivator arbeiten und die RNA-Polymerase zur Transkription der lac-Gene anregen.

Fassen wir unsere Erkenntnisse wieder einmal zusammen:

Wenig Glucose ===> viel cAMP ===> CAP ist aktiv ===> Transkriptionsrate ist hoch

Viel Glucose ===> wenig cAMP ===> CAP ist passiv ===> Transkriptionsrate ist normal

Der second messenger cAMP wird von einem Enzym namens Adenylat-Cyclase aus ATP hergestellt. ATP ist ja als universeller Energieträger der Zelle bekannt. Die Adenylat-Cylase entfernt zwei Phosphatgruppen aus dem ATP-Molekül und schließt den Rest zu einem Ring. Daher auch der Name: zyklisches Adenosinmonophosphat oder cAMP.

Adenylat-Cyclasen kommen aber nicht alleine vor, sondern sind immer mit Proteinen verbunden, die in die Zellmembran integriert sind. Bestimmte Hormonrezeptoren der Membran können z.B. Adenylat-Cyclasen aktivieren, so dass sie cAMP herstellt. Andere Membranproteine dagegen können Adenylat-Cyclasen hemmen, so dass der cAMP-Spiegel in der Zelle sinkt.

In unserem Fall werden bestimmte Adenylat-Cyclasen der Zellmembran durch Glucose-Transportproteine gehemmt: Wenn im Zellaußenmedium eine hohe Glucose-Konzentration herrscht, so transportiert dieses Protein Glucose in das Zellinnere und hemmt dabei Adenylat-Cyclasen auf der Innenseite der Membran. So sinkt der cAMP-Spiegel im Zellinnern, und die Zahl der CAP/cAMP-Komplexe geht zurück. Die RNA-Polymerase kann die lac-Gene daher nur mit geringer Effizienz transkribieren.

In Abwesenheit von Glucose ist dagegen der cAMP-Spiegel in der Zelle recht hoch, darum gibt es viele CAP/cAMP-Komplexe, die ihrerseits die RNA-Polymerase aktivieren. Die lac-Gene werden mit hoher Effizienz transkribiert, so dass Lactose abgebaut werden kann.

Fassen wir wieder zusammen:

Wenig Glucose ===> kein Glucose-Transport ===> Adenylat-Cyclase wird nicht gehemmt ===> viel cAMP ===> CAP ist aktiv ===> Transkriptionsrate ist hoch

Viel Glucose ===> intensiver Glucose-Transport ===> Adenylat-Cyclase wird gehemmt ===> wenig cAMP ===> CAP ist passiv ===> Transkriptionsrate ist normal

Und das Ganze noch mal als Bild zusammengefasst:

Einfluss von Glucose auf das lac-Operon

Einfluss von Glucose auf die Transkription des lac-Operons