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Der Frage, wie das Ein- und Ausschalten von Genen vor sich geht, gingen die beiden französischen Forscher Jacob und Monod nach. Das von den beiden Forschern entwickelte Modell zur Regulierung der Genaktivität wird wird an zwei Beispielen erläuter. Das hier aufgeführte Lac-Operon und das trp-Operon.
Das Disaccharid Lactose (Milchzucker) wird für die E.coli-Zelle nur verfügbar, wenn der menschliche Wirt Milch zu sich nimmt. Das Bakterium kann dann Lactose aufnehmen und sie zur Energiegewinnung und als Quelle organischer Verbindungen für die Biosynthese nutzen.
Wenn man E.coli die Wahl läßt, bevorzugt es Glucose als Energiequelle. Die Enzyme für den Glucoseabbau sind immer vorhanden.
Der Lactoseabbau beginnt mit der Spaltung (Hydrolyse) des Disaccharids in seine beiden Monosaccharidbausteine Glucose und Galactose. Das für diese Reaktion verantwortliche Enzym ist die ß-Galactosidase.
Dieses Tetramer besteht aus vier Untereinheiten mit je 1021 Aminosäuren und ist somit eines der größten Proteine in der Bakterienzelle
Nur ein paar Moleküle dieses Enzyms sind in E.coli vorhanden. Gibt man Lactose in das Nährmedium des Bakteriums, so steigt die Zahl der ß-Galactosidasemoleküle in der Zelle innerhalb von 15 min auf das Tausendfache.
Abb1: E.coli besitzt drei Enzyme, um Lactose aufzunehmen und zu verarbeiten. Die Strukturgene dieser Enzyme sind in einer "Arbeitsgemeinschaft", dem so genannten Operon, zusammengefasst.
Das Gen lacZ codiert die ß-Galactosidase, welche Lactose in Glucose und Galactose spaltet.
lacY codiert eine Permease (ein Membranprotein) die Lactose in die Zelle transportiert.
Ein drittes Gen, lacA, codiert das Enzym Transacetylase, dessen Bedeutung im Lactose-Stoffwechsel immer noch unklar ist. Es spielt offensichtlich eine Rolle für den Abbau giftiger Verbindungen, die unter Umständen ebenfalls von der Permease transportiert werden.
Das Gen für den Lac-Repressor (Regulator-Gen) grenzt direkt an das Lac-Operon (nicht bei jedem Operon der Fall).
Das Gen für ß-Galactosidase ist Teil eines Operons, des Lac-Operons, das noch zwei weitere Strukturgene für Proteine des Lactosestoffwechsels enthält. Die ganze Transkriptionseinheit steht unter der Kontrolle eines einzigen Operators und Promotors. Das regulatorische Gen lacI codiert ein Repressorprotein, welches das lac-Operon abschalten kann, indem es an den Operator bindet und dadurch der RNA-Polymerase den Zugang verwährt. Der Repressor ist von Anfang an aktiv, bindet an den Operator und schaltet das lac-Operon ab.
Ein kleines Molekül, der so genannte Induktor, inaktiviert den Repressor. Für das lac-Operon ist der Induktor die Allolactose, ein Isomer der Lactose, das sich in kleinen Mengen aus der Lactose bildet, wenn diese von der Zelle aufgenommen wird. In Abwesenheit des Induktors (Allolactose) befindet sich der lac-Repressor in seiner aktiven Form und bindet somit an den Operator des Promotorbereiches, und somit sind die Strukturgene des lac-Operons abgeschaltet.
In Experimenten wird als Induktor gerne das IPTG (Isopropyl-ß-D-thiogalactosid) verwendet. Dieses Molekül gilt als stärkster Induktor für das Lac-Operon. Kommt in der feien Natur allerdings nicht vor.
Wenn Lactose in das Medium gegeben wird und dadurch in das Bakterium gelangt, bindet Allolactose an den lac-Repressor und ändert dessen Konformation, wodurch der Repressor nicht mehr an den Operator binden kann. Die RNA-Polymerase hat nun freien Zugang zu den Strukturgenen und kann mit der Transkription beginnen.
Je nach Bedarf produziert somit das lac-Operon mRNA für die Enzyme des Lactoseabbauweges. Die an diesem Mechanismus der Genregulation beteiligten Enzyme werden als induzierbar bezeichnet, weil ihre Synthese durch ein chemisches Signal (Allolactose) induziert wird.
Das Lac-Operon steht auch unter einer positiven Kontrolle.
Ein weiteres beispielhaftes Operon ist das Tryptophan-Operon
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