(C) Ulrich Helmich 2004 - 2008
Glucose dürfte theoretisch überhaupt keinen Effekt auf das lac-Operon haben, weil das Glucose-Molekül nicht in das allosterische Zentrum des lac-Repressors hineinpasst.
In Anwesenheit von Lactose müsste es nach dem Modell auf jeden Fall zur Transkription der lac-Gene kommen.
Soweit die Theorie.
Die Praxis sieht allerdings völlig anders aus: In Anwesenheit von Glucose findet keine lac-Transkription statt. Und zwar völlig unabhängig von der Lactose-Konzentration im Zellplasma.
Dies macht durchaus Sinn, denn in der Regel ernähren sich Bakterien lieber von Glucose als von Lactose. Glucose ist leichter verwertbar; die Lactose muss erst in Glucose überführt werden und wird dann wie Glucose verdaut (Glycolyse, Citratzyklus, Atmungskette).
Man könnte jetzt verschiedene Modelle entwickeln, die diesen Widerspruch zwischen Theorie und Praxis erklären. Ich möchte hier einmal zwei bei Schüler(innen) beliebte Erklärungsansätze vorstellen, die beide sehr intelligent durchdacht sind, aber leider beide auch nicht zutreffen, zumindest nicht auf das lac-Operon.
Modell 1:
Der lac-Repressor besitzt nicht nur ein, sondern zwei allosterische Zentren. Eines für Lactose und ein zweites für Glucose. Wenn sich Glucose in das entsprechende Zentrum setzt, dockt der Repressor wieder an den lac-Operator an, und die Transkription der lac-Gene wird blockiert. Und zwar auch dann, wenn das allosterische Zentrum für Lactose besetzt ist.
Modell 2:
Die Glucose hat eine sehr ähnliche Strukturformel wie die Galactose, eigentlich sitzt nur eine OH-Gruppe etwas anders. Ein Glucose-Molekül kann sich also leicht in das allosterische Zentrum des Repressorproteins setzen. Allerdings bewirkt das Glucose-Molekül keinen Effekt, da es eben nicht ganz genau in das Zentrum passt. Aber es blockiert das allosterische Zentrum, so dass sich keine Lactose hineinsetzen kann. Steigt nun die Lactose-Konzentration an, so wird dennoch die Transkription des lac-Operons durch den kompetitiven Hemmstoff Glucose verhindert. So gut wie dieses Modell auch ist, es hat leider den Schönheitsfehler, dass es nicht zutrifft.
Wie ist es nun in Wirklichkeit?
Neben Repressoren, die die RNA-Polymerase blockieren, gibt es auch Aktivator-Proteine, welche die Polymerase aktivieren (fördern, beschleunigen etc.).
(C) Ulrich Helmich 2004 - 2008
So ungefähr muss man sich das vorstellen. Noch vor dem Promotor, der ja die Andockstelle für die RNA-Polymerase ist, befindet sich eine ähnliche Andockstelle für den CAP/cAMP-Komplex.
Wo kommt das cAMP aber her?
Im Neurophysiologie-Kurs haben wir bereits die Funktion von second messengern kennengelernt. Beim Riechprozess oder bei bestimmten Synapsentypen spielen sie eine wichtige Rolle. Der second messenger cAMP wird von einem Enzym namens Adenylat-Cyclase aus ATP hergestellt. ATP ist ja als universeller Energieträger der Zelle bekannt. Die Adenylat-Cylase entfernt zwei Phosphatgruppen aus dem ATP-Molekül und schließt den Rest zu einem Ring. Daher auch der Name: zyklisches Adenosinmonophosphat oder cAMP.
Adenylat-Cyclasen kommen aber nicht alleine vor, sondern sind immer mit Proteinen verbunden, die in die Zellmembran integriert sind. Bestimmte Hormonrezeptoren der Membran können z.B. Adenylat-Cyclasen aktivieren, so dass sie cAMP herstellt. Andere Membranproteine dagegen können Adenylat-Cyclasen hemmen, so dass der cAMP-Spiegel in der Zelle sinkt.
In unserem Fall werden bestimmte Adenylat-Cyclasen durch Glucose-Transportproteine gehemmt: Wenn im Zellaußenmedium eine hohe Glucose-Konzentration herrscht, so transportiert dieses Protein Glucose in das Zellinnere und hemmt dabei Adenylat-Cyclasen auf der Innenseite der Membran. So sinkt der cAMP-Spiegel im Zellinnern, und die Zahl der CAP/cAMP-Komplexe geht zurück. Die RNA-Polymerase kann die lac-Gene daher nur mit geringer Effizienz transkribieren.
In Abwesenheit von Glucose ist dagegen der cAMP-Spiegel in der Zelle recht hoch, darum gibt es viele CAP/cAMP-Komplexe, die ihrerseits die RNA-Polymerase aktivieren. Die lac-Gene werden mit hoher Effizienz transkribiert, so dass Lactose abgebaut werden kann.
