Hier sehen wir den Aufbau des lac-Operons. Die Region R ganz links wollen wir zunächst ignorieren, wir kommen gleich auf sie zurück.
Das eigentliche lac-Operon beginnt mit dem Promotor. Dies ist die Ansatzstelle für die RNA-Polymerase; hier beginnt sie mit der Transkription der lac-Gene.
Es folgt der Operator, eine Region des lac-Operons, die darüber entscheidet, ob die drei Strukturgene transkribiert werden oder nicht.
Nun kommen die drei Strukturgene lac Z, lac Y und lac A. Diese drei Gene enthalten die Informationen zur Herstellung von Enzymen, die für den Abbau der Lactose verantwortlich sind.
Das lac-Z-Gen ist für das Enzym ß-Galactosidase verantwortlich, welches Lactose in seine beiden Bestandteile Glucose und Galactose spaltet. Die Glucose kann dann ganz normal über die Glycolyse abgebaut werden.
Das lac-Y-Gen enthält die Bauanleitung für eine Permease. Das ist ein Enzym, welches sich in die Zellmembran der Bakterienzelle setzt und für den Transport der Lactose in die Zelle hinein verantwortlich ist.
Das lac-A-Gen schließlich codiert eine Transacetylase. Die Funktion dieses Enzyms ist zur Zeit noch nicht vollständig bekannt. Sicher ist nur, dass das Enzym eine Acteylgruppe auf die Lactose überträgt.
Am Terminator stoppt die RNA-Polymerase mit der Transkription.
(C) Ulrich Helmich 2004 - 2008
Kommen wir jetzt auf die R-Region ganz links zurück. Das Regulator-Gen R codiert die Bauanleitung für ein Repressor-Protein. Die Abbildung zeigt die Transkription des Regulator-Gens und dann die Translation der mRNA.
(C) Ulrich Helmich 2004 - 2008
Hier sehen wir, was das Repressor-Protein macht. Es setzt sich - gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip - an die Operator-Region des lac-Operons und blockiert dadurch die RNA-Polymerase. Wenn der Repressor am Operator sitzt, kommt sie nicht an dem Repressor vorbei, und die Transkription wird abgebrochen.
(C) Ulrich Helmich 2004 - 2008
Daher spricht man hier auch von "Hemmung (der Transkription) durch Repression".
Wenn man sich das Repressor-Protein genauer anschaut, erkennt man ein allosterisches Zentrum. Hier können sich kleinere Moleküle hineinsetzen und so die Struktur des Repressors verändern.
Schauen wir uns an, was passiert, wenn die Glucose-Konzentration in der Zelle ansteigt:
Es passiert gar nichts, weil die Glucose nicht in das allosterische Zentrum des Repressors passt.
Betrachten wir nun, was geschieht, wenn nicht die Glucose-Konzentration, sondern die Konzentration der Lactose in der Zelle ansteigt:
(C) Ulrich Helmich 2004 - 2008
Das Repressor-Protein löst sich vom Operator!
Die Bindung des Repressors an die DNA unterlag ja dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Der Repressor setzt sich an die Operator-Region, weil die DNA-Struktur hier komplementär zu einer bestimmten Region des Repressor-Proteins ist. Wahrscheinlich sind hier H-Brücken und/oder elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den Basen der DNA und den Seitenketten bestimmter Aminosäuren für die Bindung verantwortlich.
Durch den Effektor bzw. Induktor Lactose hat sich jetzt die Struktur des Repressors derart verändert, dass das Schlüssel-Schloss-Prinzip nicht mehr gewährleistet ist. Der Repressor löst sich daher von der Operator-Region und macht so den Weg für die RNA-Polymerase frei.
Die Transkription der drei Strukturgene X, Y und Z kann jetzt beginnen.
Hier sehen Sie die Folie 6 aus dem Foliensatz.
(C) Ulrich Helmich 2004 - 2008
Hier sehen wir - stark schematisiert - die RNA-Polymerase in Aktion. Sie stellt mRNA her, die von den Ribosomen in Enzyme übersetzt wird, die anschließend die Lactose abbauen.
Was geschieht nun?
Durch die Aktivität der Lactose abbauenden Enzyme sinkt die Lactose-Konzentration in der Zelle. Wenn sich ein Lactose-Molekül in das allosterische Zentrum eines Repressors sitzt, so ist diese Bindung nicht von Dauer. Die Lactose dockt nur locker an, ein paar Millisekunden später kann sich das Molekül auch wieder von dem Repressor lösen, und wieder ein paar Millisekunden später kommt ein anderes Lactose-Molekül andiffundiert und setzt sich wieder in das allosterische Zentrum hinein. An dieser Stelle ist also dynamisches Denken gefragt, nicht statisches. Wir müssen mit Wahrscheinlichkeiten rechnen. Ein Teil der Repressoren ist zu einem bestimmten Zeitpunkt t mit Lactose-Molekülen besetzt, ein anderer Teil ist gerade nicht besetzt. Die Wahrscheinlichkeit, einen mit Lactose besetzten Repressor anzutreffen, wird geringer, wenn die Lactose-Konzentration sinkt. Je mehr Lactose also abgebaut wird, desto unwahrscheinlicher ist es, dass ein Repressor Lactose in seinem allosterischen Zentrum sitzen hat.
Mit sinkender Lactose-Konzentration steigt also die Wahrscheinlichkeit, dass die Operator-Region durch ein Repressor-Molekül blockiert wird, und die Transkriptionsrate sinkt gegen null. Dies ist ja auch sinnvoll, wenn keine Lactose mehr vorhanden ist.
Näheres zu diesem Thema finden Sie in dem Foliensatz "Das lac-Operon", den Sie bei mir erhalten können.
