Regulation und Kontrolle des Stoffwechsels in Bakterien (Seite 5)
(Dieses Kapitel hat 5 Seiten)
© Kenneth Todar, PhD

Katabolische Repression

Die Enzyminduktion wird immer noch als eine Form der negativen Kontrolle angesehen, da die Wirkung des regulatorischen Moleküls (des aktiven Repressors) darin besteht, die Transkriptionsrate zu verringern oder herunterzuregulieren. Kataboliterepression ist eine Form der positiven Kontrolle der Transkription, da ein Regulator-Protein eine Erhöhung (Hochregulation) der Transkriptionsrate eines Operons bewirkt. Der Prozess wurde in E entdeckt. coli und wasoriginallyreferred als der Glukoseeffekt, weil es gefunden wurde, dassglucosereprimiert die Synthese von bestimmten induzierbaren Enzymen, obwohl theinducer der Bahn in der Umwelt anwesend war. Die Entdeckung erfolgte während der Untersuchung der Regulation des Lac-Operons in E. coli.Da Glucose durch konstitutive Enzyme abgebaut wird und Lactose zunächst durch induzierbare Enzyme abgebaut wird, was würde passieren, wenn das Bakterium in begrenzten Mengen an Glucose und Lactose gezüchtet würde? Ein Diagramm der Bakterienwachstumsrate ergab eine diauxische Wachstumskurve, die zwei verschiedene Phasen des Bakterienwachstums zeigte (Abbildung 9). Während der ersten Phase des exponentiellen Wachstums verwenden die Bakterien Glukose als Energiequelle, bis die gesamte Glukose erschöpft ist.Dann, nach einer sekundären Verzögerungsphase, wird die Laktose während einer zweiten Phase des exponentiellen Wachstums verwendet.

Abbildung 9. Die diauxische Wachstumskurve von E. coli, die in Grenzkonzentrationen einer Mischung aus Glucose und Lactose gezüchtet wurden

Während der Glukoseverwertung wird Lactose nicht verwendet, da die Zellen das Disaccharid Lactose nicht transportieren und spalten können.Glukose wird immer zuerst gegenüber anderen Zuckern metabolisiert. Erst wenn die Glukose vollständig verwertet ist, wird die Laktose abgebaut. Die Laktoseoperation wird unterdrückt, obwohl Laktose (der Induktor) vorhanden ist. Dasökologische Rationale ist, dass Glucose eine bessere Energiequelle ist als Lactoseinzeine Nutzung erfordert zwei weniger Enzyme.

Erst nach Erschöpfung der Glucose werden die Enzyme für die Lactoseutilisationsynthetisiert. Die sekundäre Verzögerung während des diauxischen Wachstums stellt die Zeit dar, die für die vollständige Induktion des lac-Operons und die Synthese der für die Laktoseverwertung erforderlichen Enzyme (Laktosepermease und Beta-Galactosidase) erforderlich ist.Nur dann kommt es zu bakteriellem Wachstum auf Kosten von Laktose. Da die Verfügbarkeit von Glucose die Enzyme für die Lactoseutilisation unterdrückt, wurde diese Art der Repression als Katabolit-Repression oder Glucose-Effekt bekannt.Es ist bekannt, dass Glucose eine große Anzahl induzierbarer Enzyme in vielen verschiedenen Bakterien unterdrückt. Glucose unterdrückt die Induktion von induzierbaren Operonen durch Hemmung der Synthese von cyclischem AMP (cAMP), einem Nukleotid, das für die Initiierung der Transkription einer großen Anzahl von induzierbaren Enzymsystemen einschließlich des Lac-Operons erforderlich ist.

Die Rolle eines solchen Lagers ist kompliziert. cAMP ist erforderlich, um zu aktivierenein allosterisches Protein namens CAP (Catabolite Activator Protein), das an die Promotor-CAP-Stelle bindet und die Bindung von RNAppolymerase an den Promotor zur Initiierung der Transkription stimuliert. Um die Gentranskription des Lac-Operons effizient zu fördern, muss also nicht nur Lactose vorhanden sein, um den Lac-Repressor zu inaktivieren, sondern cAMP muss auch verfügbar sein, um an CAP zu binden, das an DNA bindet, um die Transkription zu erleichtern. In Gegenwart von Glucose ist die Adenylatcyclase (AC) -Aktivität blockiert. ACis benötigt, um cAMP aus ATP zu synthetisieren. Wenn die cAMP-Spiegel niedrig sind, ist CAP daher inaktiv und die Transkription findet nicht statt. In der Abwesenheit von Glukose sind die cAMP-Spiegel hoch, CAP wird durch cAMP aktiviert und die Transkription erfolgt (in Gegenwart von Laktose).

Viele positiv kontrollierte Promotoren, wie der lac-Promotor, sind in Gegenwart von RNAp allein nicht voll funktionsfähig und erfordern eine Aktivierung durch CAP. CAP wird von einem separaten regulatorischen Gen kodiert und ist in vorhandenkonstitutive Ebenen. CAP ist nur in Gegenwart von cAMP aktiv. Die Bindung von cAMP an CAP bewirkt eine Konformationsänderung des Proteins, die eine Bindung an den Promotor in der Nähe der RNAp-Bindungsstelle ermöglicht. CAP kann anscheinend mit RNAp interagieren, um die Rate der Operontranskription um das 50-fache zu erhöhen.Positivecontrol des lac-Operons ist in Abbildung 10 dargestellt.

Abbildung 10. Kataboliterepressionist positive Kontrolle des Lac-Operons. Der Effekt ist eine Erhöhung derrate der Transkription. In diesem Fall wird das CAP-Protein durch aktiviertcampum an das Lac-Operon zu binden und die Bindung von RNA-Polymeren an den Promotor zu erleichtern, um die Gene für die Laktoseverwertung zu transkribieren.

Als eine Form der Kataboliten-Repression dient der Glucose-Effekt einer nützlichen Funktion in Bakterien: Es erfordert, dass die Zellen die beste verfügbare Energiequelle nutzen. Für viele Bakterien ist Glucose das häufigste und am besten geeignete Substrat für das Wachstum. Somit hemmt es indirekt die Synthese vonenzymedas verstoffwechseln ärmere Energiequellen.

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