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Lexikon der Biochemie: Katabolitrepression

Katabolitrepression, bei Prokaryonten die Repression der Transcription von Genen, die für induzierbare Enzyme kodieren. So reprimieren Glucose bzw. Metabolite des Glucoseabbaus die Synthese solcher Enzyme, die für den Glucoseabbau nicht benötigt werden (Glucose-Repression). Erst nach Verbrauch des bevorzugten Substrates wird das "ungünstigere" metabolisiert. Die Abfolge der Substratverwertung zeigt sich in einem biphasischen bzw. mehrphasischen Wachstumsverlauf (Diauxie).

Bei der K. sind Glucose und cAMP Gegenspieler. Für die Bindung der RNA-Polymerase an den Promotor und den Start der Transcription sind cAMP und ein Rezeptorprotein (CRP = cAMP receptor protein bzw. CAP = catabolite-gene activator protein) erforderlich. In Abwesenheit von Glucose aktiviert cAMP das CAP. Der sich bildende cAMP-CAP-Komplex führt nach Anlagerung an eine palindrome Sequenz des Promotors zu einer effektiveren Bindung der RNA-Polymerase, d.h., der cAMP-CAP-Komplex fungiert als Aktivator. Röntgenstrukturuntersuchungen zeigen, dass cAMP-CAP fester an eine linksgängige Helix als an eine rechtsgängige Helix binden kann. Man stellt sich vor, dass der cAMP-CAP-Komplex die DNA der Bindungsstelle in eine linksgängige Konfiguration zwingt und dadurch eine Entwindung der angrenzenden Region verursacht, die die Transcription fördert. Glucose vermindert die cAMP-Bildung, so dass kein cAMP-CAP-Komplex entsteht und keine Transcription erfolgt. Lactose fördert hingegen die cAMP-Bildung (positive Regulation). Das Beispiel zeigt, dass negativ kontrollierte induzierbare katabole Operons auch einer positiven Kontrolle durch CAP unterliegen. Die Endform der Genexpression hängt vom Spiegel sowohl des lac-Repressorproteins als auch des CAP ab.

Für die Wechselwirkung zwischen Glucose und cAMP wird die Beeinflussung der Aktivität der membrangebundenen Adenylat-Cyclase (Adenosinphosphate) verantwortlich gemacht. Die Aktivität dieses Enzyms ist hoch, wenn die Komponenten des Zuckertransportsystems (Phosphotransferase-System) phosphoryliert sind. Das ist der Fall bei Abwesenheit zu transportierender Zucker. In ihrer Gegenwart sinkt der Phosphorylierungsgrad, da der Zucker in phosphorylierter Form ins Cytoplasma gelangt. Dadurch sinkt die Aktivität der Adenylat-Cyclase und damit auch der cAMP-Spiegel.

Eine positive Regulation erfolgt auch bei einigen anderen Enzymsystemen (z.B. Abbau von Arabinose, Maltose, Rhamnose in E. coli). Hierbei wird ein vom Regulatorgen codiertes allosterisches Protein durch Reaktion mit dem Induktor (z.B. Arabinose) aktiviert, der in dieser Form erst die Transcription der entsprechenden Strukturgene ermöglicht.

Auch Enzyme des Sekundärstoffwechsels unterliegen der K. So findet die Synthese von Sekundärprodukten, wie z.B. Penicillin, Actinomycin und Riboflavin, in bestimmten Entwicklungsphasen von Mikroorganismuskulturen statt.

Die K. ist nicht allein auf Kohlenstoffquellen (Kohlenstoff-K.) beschränkt. So werden z.B. Enzyme, die N-haltige Substrate umsetzen (z.B. Proteasen, Nitrat-Reduktasen), oft durch schnell verwertbare N-Quellen (z.B. Ammonium-Ionen, Glutamin) reprimiert (Stickstoff-K.).

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