F1-Praktikum in Mikrobiologie - Universität Würzburg

2Diauxie, KatabolitrepressionEscherichia coli kann neben Glucose auch andere Zucker wie z.B. Lactose als KohlenstoffundEnergiequelle nutzen. Der erste Schritt beim Lactoseabbau ist die Hydrolyse von Lactosezu Galactose und Glucose durch das Enzym β-Galactosidase. Die Expression der β-Galactosidase wird durch Lactose induziert. Enthält das Wachstumsmedium aber gleichzeitigGlucose und Lactose, so verwerten die Bakterien zunächst nur die Glucose. Erst wenn dieGlucose verbraucht ist, erfolgt die Adaptation an die noch vorhandene C-Quelle Lactose, dadie Anwesenheit von Glucose im Wachstumsmedium die Expression der β-Galactosidasereprimiert. Man bezeichnet diesen Effekt als "Katabolitrepression". Die Umstellung desStoffwechsels vom Glucoseabbau zum Lactoseabbau schlägt sich in einer vorübergehendenVerlangsamung der bakteriellen Zellvermehrung nieder, so dass die Bakterienkultur inGegenwart von Glucose und Lactose zwei exponentielle Wachstumsphasen durchläuft. Manbezeichnet dies als "Diauxie" (zweiphasiges Wachstum).In Enterobakterien wird die Katabolitrepression durch das Regulatorprotein CAP (auch alsCrp bezeichnet) vermittelt. Unter Katabolitrepression stehende Gene enthalten in ihrerPromotorregion eine Bindestelle für einen Komplex aus CAP und dem Coaktivator cyclo-AMP (cAMP). Erst durch die Bindung von CAP-cAMP an den Promotor wird dieTranskription der entsprechenden Gene aktiviert. Demzufolge wird die Expression KatabolitreprimierterGene durch die Konzentration von cAMP in der Zelle gesteuert. DieAnwesenheit von Glucose im Wachstumsmedium beeinflusst den cAMP-Spiegel in der Zelleüber das Phosphotransferase (PTS)-System zur Aufnahme von Kohlenhydraten, das sich ausden Proteinen EI und HPr und den Zucker-spezifischen EII-Komponenten zusammensetzt.PTS-System:PEPEIHPrEIIAEIIBEIICPyruvat P GlucosePGlucose-6-PIst im Medium Glucose vorhanden, wird diese über EII glc aufgenommen, so dass EIIA glcvorrangig unphosphoryliert vorliegt. Ist keine Glucose vorhanden, überwiegt dagegen diephosphorylierte Form von EIIA glc . EIIA glc -P stimuliert die Aktivität des EnzymsAdenylatcyclase, was zur Erhöhung des cAMP-Spiegels und schließlich zur Ausbildung desCAP-cAMP Komplexes führt. Ein weiterer Effekt, der zur Katabolitrepression beiträgt, ist die„inducer-exclusion“: Unphosphoryliertes EIIA glc hemmt die Aktivität von nicht-PTS Zucker-Permeasen und unterdrückt somit die Aufnahme von Inducer-Molekülen die zur Aktivierungzusätzlicher kataboler Stoffwechselwege erforderlich wären.