Was das lac-Operon ist und wie es funktioniert, erfährst du hier und in diesem Video!
Inhaltsübersicht
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.
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
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
Beim lac-Operon sind die Strukturgene für die Aufnahme und den Abbau der Lactose verantwortlich. Dafür können die Gene drei Enzyme codieren, also herstellen:
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lacZ: codiert für das Enzym
-Galactosidase, es spaltet den Zweifachzucker
Lactose in die Einfachzucker
Glucose und Galactose
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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 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.
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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.
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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.
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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.
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:
| Glucose | Lactose | Repressor | CAP | Transkription |
| – | + | inaktiv | aktiv | hoch |
| + | + | inaktiv | inaktiv | eher gering |
| + | – | aktiv | inaktiv | keine |
| – | – | aktiv | aktiv | keine |
lac-Operon — häufigste Fragen
(ausklappen)
lac-Operon — häufigste Fragen
(ausklappen)-
Was ist das Lactose-Operon in der DNA von Escherichia coli?Das Lactose-Operon (lac-Operon) ist ein DNA-Abschnitt in Escherichia coli, der mehrere Gene zur Aufnahme und zum Abbau von Lactose gemeinsam steuert. Dazu gehören ein Promotor (Startstelle der Transkription), ein Operator (Schaltstelle) und die Strukturgene, die Lactose-Abbau-Enzyme codieren.
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Was sind Strukturgene?Strukturgene sind Gene, die die Bauanleitung für Proteine liefern, meistens für Enzyme. Im Gegensatz zu Steuerbereichen auf der DNA werden Strukturgene direkt abgelesen und als Protein umgesetzt. Im lac-Operon codieren die Strukturgene zum Beispiel Enzyme für Aufnahme und Abbau von Lactose.
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Was ist ein Operator in der Biologie?Ein Operator ist ein kurzer DNA-Abschnitt in einem Operon, an den ein Repressor (blockierendes Protein) binden kann. Wenn der Repressor am Operator sitzt, kann die RNA-Polymerase die nachfolgenden Gene meist nicht transkribieren. Der Operator wirkt damit wie eine Schaltstelle für An oder Aus.
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Warum bindet im lac-Operon Allolactose an den Repressor statt Lactose?Allolactose bindet im lac-Operon an den Repressor, weil Allolactose die passende Form hat, um den Repressor so zu verändern, dass er vom Operator abgeht. Allolactose entsteht aus Lactose im Zellinneren durch das Enzym β‑Galactosidase. Lactose selbst bindet dafür deutlich schlechter.
Genregulation
Wie die Regulation der Genexpression bei Prokaryoten und Eukaryoten genau abläuft und welche Mechanismen dabei zum Einsatz kommen, erfährst du in diesem Video!
