lac-Operon

Lac-Operon einfach erklärt

Die Herstellung von Stoffen wird bei Bakterien (bzw. Prokaryoten) von speziellen Abschnitten auf der DNA gesteuert, den sogenannten „Operons.“ Das lac-Operon ist eine Art davon.

Mit seiner Hilfe wird Milchzucker (Lactose) aufgenommen und abgebaut. Dabei bestimmt die Menge des Zuckers das An- und Abschalten bestimmter Gene.

Übrigens: Das lac-Operon ist ein Beispiel für das Operon-Modell. Dieses Schema hilft beim Nachvollziehen der Genregulation. Das ist ein Mechanismus, der die Produktion von Stoffen steuert.

Lac-Operon Aufbau

Das lac-Operon besteht wie jedes Operon aus den folgenden drei Teilen:

• Promotor: Bindestelle für die RNA-Polymerase bei der Transkription
• Operator: Bindestelle für Regulatorproteine zur Regulation der Transkription
• Strukturgene: Gene,  die durch das Operon kontrolliert werden

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Beim lac-Operon sind die Strukturgene für die Aufnahme und den Abbau der Lactose verantwortlich. Dafür können die Gene drei Enzyme codieren, also herstellen:

• lacZ: codiert für das Enzym -Galactosidase, es spaltet den Zweifachzucker Lactose in die Einfachzucker Glucose und Galactose
   
• lacY: codiert für das Enzym Galactosid-Permease, es sorgt für die Aufnahme von Lactose in die Zellen
   
• lacA: codiert für das Enzym Galactosid-Transacetylase, seine Funktion ist bisher noch nicht bekannt

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Zusätzlich befindet sich vor dem Operon noch ein Regulatorgen. Es ist für die Regulation der Genexpression verantwortlich, also für die Herstellung von Stoffen nach dem Bauplan der DNA. In Escherichia coli (E. coli) Bakterien heißt das Gen lacI. Es ist immer aktiv und produziert den Lac Repressor. Ein Repressor kann an die DNA  binden und so die Transkription unterdrücken.

Auch die CAP-Bindestelle befindet sich im DNA-Strang vor dem eigentlichen Operon. An diesen DNA-Abschnitt binden Aktivatoren, die eine Transkription verstärken.

Lac-Operon Regulation 

Das lac-Operon der Bakterien ist nicht immer aktiv. Abhängig von der Lactose- und der Glucosekonzentration werden die Gene des Bakteriums an- und ausgeschaltet. Das funktioniert über positive und negative Regulation.

Das Ziel ist, jeweils die günstigste vorhandene Energiequelle zu nutzen. Der Einfachzucker Glucose wird dabei eher bevorzugt als der Zweifachzucker Lactose. Das liegt daran, dass der Einfachzucker nicht mehr gespalten werden muss und daher weniger Energie verbraucht wird.

Negative Regulation

Zunächst einmal produziert das Regulatorgen LacI ständig einen aktiven Repressor. An diesem Punkt ist es wichtig, ob Lactose vorhanden ist oder nicht.

• Keine Lactose
  Wenn keine Lactose vorhanden ist, bindet der Repressor an den Operator. So verhindert er, dass die RNA-Polymerase  den DNA-Strang und die Strukturgene ablesen kann. Der Repressor blockiert auf diese Weise die Produktion von Enzymen für den Lactose Abbau. Du sprichst deshalb von negativer Regulation.
   
• Lactose
  Wenn viel Lactose vorhanden ist, bindet irgendwann Allolactose an den Repressor. Das ist eine andere Form von Lactose. Durch die Bindung wird die Raumstruktur des Repressors verändert und er fällt vom Operator ab. Das führt zur Expression des lacZ Gens.
   
  Es wird nun das Enzym -Galactosidase hergestellt, das Lactose in Glucose und Galactose aufspaltet. Dabei entsteht außerdem wieder Allolactose, die dann erneut an den Repressor binden kann. So induziert das Substrat Lactose seinen eigenen Abbau. Dieser Vorgang heißt deswegen auch Substratinduktion.

Positive Regulation

Das lac-Operon kann jedoch auch positiv reguliert werden. Das heißt, dass das Ablesen der Strukturgene verstärkt werden kann. Ob das passiert, ist abhängig von der Glucosekonzentration.

Ist wenig Glucose vorhanden, kommt das Molekül cAMP (cyclisches Adenosinmonophosphat) mehr vor. Dieses zeigt nämlich einen Glucosemangel an und funktioniert deshalb als eine Art „Hungersignal“.

Das cAMP bindet dann an das Aktivatorprotein CAP (catabolite activator protein). Zusammen bilden sie den cAMP-CAP-Komplex. In dieser Form können sie dann an die CAP-Bindestelle binden. Das führt dazu, dass die Bindefähigkeit (Affinität) der Polymerase an den Promotor erhöht wird.

Deshalb findet mehr Genexpression des Strukturgens lacZ statt und es wird mehr Lactose abgebaut. Du nennst diesen Prozess auch Katabolitrepression.

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Merke: Eine niedrige Glucosekonzentration führt zu einer verstärkten Genexpression. Daraus folgt mehr Lactose-Abbau.

Lac-Operon-Modell Prozesse im Überblick

In der folgenden Tabelle haben wir dir die verschiedenen Fälle des lac-Operon-Modells noch einmal im Überblick zusammengefasst:

Lac-Operon — häufigste Fragen

• Was ist ein lac-Operon?
  Das lac-Operon ist eine Art Operon, also eine Funktionseinheit der DNA. Es ist kommt vor allem in Bakterien, wie z. B. Escherichia coli (E. coli) vor und ist wichtig für die Aufnahme und den Abbau von Lactose. Das lac-Operon ist ein klassisches Beispiel für die Genregulation.
   
• Was ist ein Operon?
  Ein Operon ist eine Funktionseinheit der DNA, also ein Abschnitt, der unter anderem die Information für den Aufbau eines bestimmten Stoffes enthält. Operons kommen meistens in Prokaryoten (z. B. Bakterien), aber auch in manchen Eukaryoten und Plastiden vor.
   
• Wie sieht der lac-operon Aufbau aus?
  Das lac-Operon besitzt einen Promotor, drei Operatoren und drei Strukturgene, lacZ, lacY und lacA. LacZ enthält die Information für das Enzym β-Galactosidase, das Lactose in Glucose und Galactose aufspaltet, wobei als Nebenprodukt auch Allolactose entsteht.
   
• Was ist die lac-operon Funktion?
  Die Funktionseinheit lac-Operon enthält die genetische Information für Enzyme, die Lactose aufnehmen und abbauen. Im Bakterium Escherichia coli (E. coli) spielen bei der Genexpression auch Aktivatoren und Repressoren, sowie die Lactosekonzentration, eine Rolle.

Genregulation

Wie die Regulation der Genexpression bei Prokaryoten und Eukaryoten genau abläuft und welche Mechanismen dabei zum Einsatz kommen, erfährst du in diesem Video!