Das Lactose-Operon (kurz lac-Operon) von Escherichia coli ist das klassische Beispiel für eine Substratinduktion: Erst wenn das Substrat Lactose vorhanden ist und Glucose fehlt, wird die Genexpression der Lactose-abbauenden Enzyme angeschaltet. Es wurde 1961 von Jacob und Monod aufgeklärt.
• Regulatorgen (lacI): codiert den Repressor, liegt außerhalb des Operons.
• Promotor (P): Bindestelle der RNA-Polymerase.
• Operator (O): Bindestelle des Repressors, überlappt teilweise mit dem Promotor.
• Strukturgene: lacZ (β-Galactosidase, spaltet Lactose in Glucose + Galactose), lacY (Permease, transportiert Lactose in die Zelle), lacA (Transacetylase).
Der lacI-Repressor wird konstitutiv synthetisiert, bindet als Tetramer an den Operator und blockiert die RNA-Polymerase – die Strukturgene werden nicht transkribiert. Die Zelle produziert nur eine geringe Basalmenge.
Gelangt Lactose in die Zelle, wird ein Teil davon zu Allolactose isomerisiert. Allolactose ist der eigentliche Induktor. Sie bindet allosterisch an den Repressor, verändert dessen Konformation und löst ihn vom Operator. Die RNA-Polymerase kann nun den Promotor passieren, die Strukturgene lacZ-Y-A werden als polycistronische mRNA transkribiert und die Enzyme zum Lactoseabbau gebildet.
Selbst bei vorhandener Lactose unterbleibt die Expression weitgehend, solange Glucose verfügbar ist. Glucose senkt den intrazellulären cAMP-Spiegel. Da das Aktivatorprotein CAP nur als CAP-cAMP-Komplex an den Promotor bindet und so die RNA-Polymerase rekrutiert, läuft die Transkription erst auf Hochtouren, wenn cAMP hoch ist (Glucose niedrig). Diese Doppelregulation führt zu einem diauxischen Wachstum: E. coli verbraucht zuerst Glucose, dann Lactose.
1. Keine Lactose, viel Glucose → Repressor bindet, kein cAMP-CAP → Operon AUS.
2. Lactose vorhanden, viel Glucose → Repressor fällt ab, aber kein cAMP-CAP → nur schwache Expression.
3. Lactose vorhanden, keine Glucose → Repressor fällt ab, cAMP-CAP bindet → volle Expression.
Die Substratinduktion ist energetisch sinnvoll: Enzyme werden nur produziert, wenn ihr Substrat verfügbar ist. Das lac-Operon dient als Modell für negative Regulation, allosterische Konformationänderungen und in der Gentechnik (LacZ-Reportergen, IPTG als Induktor).
Lactose selbst bindet nicht den Repressor – es ist Allolactose (oder im Labor IPTG). Außerdem ist die Bindung des Repressors an den Operator die Standardeinstellung; Induktion bedeutet sein Ablösen.
Zusammenfassung: Lactose → Allolactose → Bindung an Repressor → Operator frei → Transkription von lacZ-Y-A. Glucose senkt cAMP und damit die Expression (Katabolitrepression).
Abitur-Tipp: Im Hessen-Abi wird gerne nach dem Vergleich mit dem Tryptophan-Operon gefragt – lac ist induzierbar (Anabolismus ähnlich), trp ist reprimierbar.