Genetik

Das lac Operon ist ein Beispiel für die Genregulation bei Prokaryoten. Alles über den Aufbau und die Regulation erfährst du hier. Du findest hier das Video zum Thema, wenn du noch schneller einen Überblick bekommen möchtest!

Inhaltsübersicht

Lac-Operon einfach erklärt

Bei Bakterien befinden sich zur Genregulation  spezielle Funktionseinheiten auf der DNA . Eine solche Einheit bezeichnest du als Operon. E. coli Bakterien besitzen beispielsweise ein sogenanntes lac Operon. Mit dessen Hilfe können sie Milchzucker aufnehmen und abbauen.

Lac steht dabei für Lactose und ist ein anderes Wort für Milchzucker. Die Verfügbarkeit des Zuckers reguliert dabei das An- und Abschalten bestimmter Gene. Das lac Operon (lac-Operon) ist ein Beispiel für das Operon Modell. Es wurde von F. Jacob und J. Monod entdeckt. Daher nennst du es auch Jacob Monod Modell

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Operon
Definition Operon 

Ein Operon bezeichnet eine Struktureinheit der DNA von Prokaryoten. Es besteht aus Promotor, Operator und Strukturgenen. Ein Beispiel dafür ist das Lactose Operon (kurz: lac Operon).

Lac-Operon Aufbau

Schauen wir uns den Aufbau des lac Operons einmal genauer an. Grundsätzlich besteht ein Operon immer aus den drei folgenden Elementen: 

  • 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

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

  • lacZ: codiert für das Enzym \beta-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

Zusätzlich findest du vor dem Operon noch ein Regulatorgen. Wie der Name schon sagt, ist es für die Regulation der Genexpression  verantwortlich. In E. coli 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.

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lac-Operon Aufbau

Lac-Operon Regulation 

Das lac Operon der Bakterien ist nicht immer aktiv. Abhängig von der Lactose und der Glucosekonzentration schaltet das Bakterium die Gene an und aus. Das funktioniert über positive und negative Regulation. Das Ziel ist, jeweils die günstigste vorhandene Energiequelle zu nutzen. Der Einfachzucker Glucose wird dem Zweifachzucker Lactose vorgezogen. Das liegt daran, dass der Einfachzucker nicht mehr gespalten werden muss und daher mehr Energie liefert.

Negative Regulation

Zunächst einmal produziert das Regulatorgen LacI ständig einen aktiven Repressor. Wenn keine Lactose vorhanden ist, bindet der Repressor an den Lac Operator. So verhindert er, dass die RNA-Polymerase den DNA-Strang ablesen kann. Du sprichst hier von negativer Regulation. Denn der Repressor verhindert die Expression der Strukturgene, die für den Lactose Abbau benötigt werden.

Wenn Lactose vorhanden ist, muss das Enzym für den Abbau hergestellt werden. Das funktioniert, indem Allolactose an den Repressor bindet. Allolactose ist ein Isomer , also eine andere Form von Lactose. Das Enzym \beta-Galactosidase ist für die Umwandlung von Lactose in Allolactose verantwortlich. Durch die Bindung wird die Raumstruktur des Repressors verändert und er fällt vom Operator ab. Das führt zur Expression des lacZ Gens. So induziert Lactose ihren eigenen Abbau. Daher heißt dieser Vorgang auch Substratinduktion. Der Zucker wirkt hierbei als Induktor.

Ein Beispiel für einen künstlichen Induktor ist IPTG (Isopropyl-\beta-thiogalactosid). Die Methode der IPTG Induktion kannst du in der Molekularbiologie zur künstlichen Aktivierung der Genexpression einsetzen. 

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lac-Operon negative Regulation

Positive Regulation

Das lac-Operon kann auch positiv reguliert werden. Dabei hängt die Expression zusätzlich von der Glucosekonzentration ab. Das bedeutet, solange Glucose vorhanden ist, soll möglichst wenig Lactose abgebaut werden. 

Und wie funktioniert das auf molekularer Ebene? Wenn ein Aktivatorprotein am Promotor bindet, erhöht das die Affinität (Bindefähigkeit) der Polymerase für den Promotor. Folglich findet mehr Genexpression statt. Das nennst du auch positive Kontrolle. Hier heißt der Aktivator CAP (catabolite activator protein).

CAP bindet allerdings nur an die DNA, wenn es gleichzeitig cAMP (cyclisches Adenosinmonophosphat) gebunden hat. Die Entstehung des cAMP-CAP Komplexes findet verstärkt bei niedriger Glucosekonzentration statt. Dann ist cAMP erhöht. Es ist nämlich verantwortlich für das „Hungersignal“ und zeigt Glucosemangel an. Oder andersherum verhindert eine hohe Glucosekonzentration die Expression der Strukturgene des lac Operons. Dieser Kontrollmechanismus heißt daher Katabolitrepression.

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lac-Operon positive Regulation (ohne Glucose)

Hier findest du die verschiedenen Fälle des Lac Operon Modells noch einmal übersichtlich zusammengefasst:

Glucose Lactose Repressor CAP Transkription
+ inaktiv aktiv hoch
+ + inaktiv inaktiv eher gering
+ aktiv inaktiv keine
aktiv aktiv keine

Wenn du noch andere Mechanismen der Genregulation kennenlernen möchtest, schau doch einfach mal hier vorbei!

Zum Video: Genregulation
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