Lactose istein Disaccharid undbesteht aus je einem Glucose- und einem Galactose-Molekül. Bei der "Verdauung"von Lactose wird das Molekül zunächst in seine beiden Bausteine gespalten,bereits das ist schon ein energieaufwändiger Prozess. Mit der Galactose kanndie Bakterienzelle nicht viel anfangen, daher wird dieses Monosaccharid in Glucoseumgewandelt - ebenfalls ein energieaufwändiger Prozess. Am Ende haben wir alsozwei Glucose-Moleküle vorliegen, die aus der Lactose gewonnen wurden - einesdirekt, das andere durch Umwandlung der Galactose. Die Glucose fließt nun direktin die Glycolyse ein, dann in den Citratzyklus und schließlich in die Atmungskette.
Was geschieht eigentlich, wenn man Bakterien gleichzeitig Lactose und Glucoseals Nährstoff anbietet? Wie durch die obigen Ausführungen hoffentlich klargeworden ist, ist Glucose für die Bakterien wesentlich attraktiver als Lactose,da hier nichts mehr zerlegt werden muss. Es würde also durchaus Sinn machen,wenn die Bakterien zunächst die vorhandene Glucose abbauen und die Lactose ignorierenwürden. Und genau das passiert auch in der Realität. In Anwesenheitvon Glucose findet keine lac-Transkription statt, auch dann nicht, wenn genügendLactose zur Verfügung steht.
Mechanismus der Steuerung
Neben Repressoren, die die RNA-Polymerase blockieren, gibt es auch Aktivator-Proteine,welche die Polymerase aktivieren (fördern, beschleunigen). Im Falle des lac-Operonsheißt dieser Aktivator CAP. CAP ist die Abkürzungfür "catabolic activator proteine".
In Abwesenheit von Glucose ist CAP aktiv und fördert die Transkription derlac-Strukturgene, falls nicht gerade der lac-Repressor die RNA-Polymerase blockiert.Ist jedoch viel Glucose anwesend, so ist CAP passiv, und die Transkription der lac-Strukturgenewird nicht gefördert - allerdings auch nicht durch das passive CAP behindert.Man könnte also sagen: Die Transkription läuft mit "normaler" Geschwindigkeitab, aber nicht mit erhöhter Geschwindigkeit.
Wenig Glucose ===> CAP ist aktiv ===> hohe Transkriptionsrate
Viel Glucose ===> CAP ist passiv ===> normale Transkriptionsrate
Die nächste Frage ist nun, wie schafft es die Glucose, den CAP-Aktivatorin den passiven Zustand zu versetzen?
Dafür ist der sekundäre Botenstoff cAMP zuständig,ein kleines Molekül, das Sie vielleicht schon im Neurophysiologie-Kurs kennengelernthaben. Das CAP-Protein hat ein allosterisches Zentrum, in das ein cAMP-Molekülhineinpasst (Schlüssel-Schloss-Prinzip). CAP ist nur dann aktiv, wenn das allosterischeZentrum durch cAMP besetzt ist. Nur dieser CAP/cAMP-Komplex kann als Aktivator arbeiten und die RNA-Polymerase zur Transkription der lac-Geneanregen.
Fassen wir unsere Erkenntnisse wieder einmal zusammen:
Wenig Glucose ===> viel cAMP ===> CAP ist aktiv ===> Transkriptionsrateist hoch
Viel Glucose ===> wenig cAMP ===> CAP ist passiv ===> Transkriptionsrateist normal
Der second messengercAMP wird von einem Enzym namens Adenylat-Cyclase aus ATP hergestellt.ATP ist ja als universeller Energieträger der Zelle bekannt. Die Adenylat-Cylaseentfernt zwei Phosphatgruppen aus dem ATP-Molekül und schließt den Restzu einem Ring. Daher auch der Name: zyklisches Adenosinmonophosphat oder cAMP.
Adenylat-Cyclasen kommen aber nicht alleine vor, sondern sind immer mit Proteinenverbunden, die in die Zellmembran integriert sind. Bestimmte Hormonrezeptoren derMembran können z.B. Adenylat-Cyclasen aktivieren, so dass sie cAMP herstellt.Andere Membranproteine dagegen können Adenylat-Cyclasen hemmen, so dass dercAMP-Spiegel in der Zelle sinkt.
In unserem Fall werden bestimmte Adenylat-Cyclasen der Zellmembran durch Glucose-Transportproteine gehemmt:Wenn im Zellaußenmedium eine hohe Glucose-Konzentration herrscht, so transportiertdieses Protein Glucose in das Zellinnere und hemmt dabei Adenylat-Cyclasen auf derInnenseite der Membran. So sinkt der cAMP-Spiegel im Zellinnern, und die Zahl derCAP/cAMP-Komplexe geht zurück. Die RNA-Polymerase kann die lac-Gene daher nurmit 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 werdenkann.
Fassen wir wieder zusammen:
Wenig Glucose ===> kein Glucose-Transport ===> Adenylat-Cyclasewird nicht gehemmt ===> viel cAMP ===> CAP ist aktiv ===> Transkriptionsrateist hoch
Viel Glucose ===> intensiver Glucose-Transport ===> Adenylat-Cyclase wird gehemmt ===> wenig cAMP ===> CAP ist passiv ===> Transkriptionsrateist normal
Und das Ganze noch mal als Bild zusammengefasst:
