Operon-Modelle: Lac-Operon und Trp-Operon

Das Lac-Operon und das Trp-Operon sind zwei wichtige Modelle zur Erklärung der Genregulation bei Prokaryoten. Diese Seite stellt den Aufbau und die Funktionsweise beider Operons gegenüber.

Das Lac-Operon reguliert den Abbau von Lactose durch Substratinduktion. Es besteht aus einem Regulatorgen, einem Promotor, einem Operator und drei Strukturgenen (lacZ, lacY, lacA). Bei Abwesenheit von Lactose bindet ein aktiver Repressor an den Operator und verhindert die Transkription. Ist Lactose vorhanden, bindet sie als Induktor an den Repressor und inaktiviert ihn, wodurch die Transkription der Strukturgene ermöglicht wird.

Vocabulary: Substratinduktion - Aktivierung der Genexpression durch das Vorhandensein eines Substrats (hier: Lactose)

Das Trp-Operon steuert die Biosynthese von Tryptophan durch Endproduktrepression. Es umfasst ebenfalls ein Regulatorgen, einen Promotor, einen Operator und fünf Strukturgene (trpE, trpD, trpC, trpB, trpA). Bei ausreichender Tryptophan-Konzentration bindet Tryptophan an den Repressor und aktiviert ihn, was zur Blockade der Transkription führt. Bei Tryptophan-Mangel liegt der Repressor inaktiv vor, und die Strukturgene werden transkribiert.

Highlight: Beide Operons nutzen Repressoren zur Regulation, jedoch auf gegensätzliche Weise: Beim Lac-Operon inaktiviert das Substrat den Repressor, beim Trp-Operon aktiviert das Endprodukt den Repressor.

Die Abbildungen zeigen den Aufbau und die Funktionsweise beider Operons im aktiven und inaktiven Zustand. Diese Regulationsmechanismen ermöglichen es Bakterien, ihre Enzymproduktion effizient an die vorhandenen Nährstoffe anzupassen.

Definition: Operon - Ein DNA-Abschnitt bei Prokaryoten, der aus einem Promotor, einem Operator und mehreren Strukturgenen besteht und als funktionelle Einheit reguliert wird.

Genregulation am Beispiel des Lactose-Abbaus

Diese Seite präsentiert ein Experiment zur Untersuchung der Genregulation beim Lactose-Abbau in E. coli-Bakterien. Das Diagramm zeigt die Bakteriendichte und den β-Galaktosidase-Gehalt über die Zeit.

Das Experiment wurde wie folgt durchgeführt:

1. E. coli-Zellen wurden in ein Nährmedium mit Glucose und Lactose gegeben.
2. Die Bakteriendichte und der β-Galaktosidase-Gehalt wurden über 150 Minuten gemessen.

Die Ergebnisse zeigen:

• Die Bakteriendichte steigt zunächst exponentiell an.
• Nach etwa 70 Minuten gibt es eine kurze Unterbrechung im Wachstum.
• Ab 80 Minuten steigen sowohl die Bakteriendichte als auch der β-Galaktosidase-Gehalt exponentiell an.

Diese Beobachtungen lassen sich durch das Lac-Operon-Modell und die Substratinduktion erklären:

1. Zu Beginn nutzen die Bakterien hauptsächlich Glucose, da diese energiereicher ist.
2. Das Lac-Operon ist anfangs durch einen Repressor blockiert, daher wird kaum β-Galaktosidase produziert.
3. Wenn die Glucose verbraucht ist, schalten die Bakterien auf Lactose-Verwertung um.
4. Lactose fungiert als Induktor, inaktiviert den Repressor und ermöglicht die Transkription der Lac-Operon-Gene.
5. Dies führt zur Produktion von β-Galaktosidase und anderen Enzymen für den Lactose-Abbau.

Example: Der Abbau von Lactose erfolgt in mehreren Schritten:

1. Lactose wird durch β-Galaktosidase in Glucose und Galactose gespalten.
2. Galactose wird weiter zu Glucose-6-Phosphat umgewandelt.

Highlight: Die kurze Wachstumspause bei 70 Minuten zeigt den Umschaltpunkt von Glucose- auf Lactose-Verwertung. In dieser Zeit werden die nötigen Enzyme produziert.

Diese Untersuchung demonstriert eindrucksvoll die Flexibilität und Effizienz der bakteriellen Genregulation, die es den Organismen ermöglicht, sich schnell an veränderte Nährstoffbedingungen anzupassen.