Di dalam sel prokaryot, ada beberapa gen struktural yang
diekspresikan secara bersama-sama dengan menggunakan satu promoter yang sama.
Kelompok gen semacam ini disebut sebagai operon. Gen-gen semacam ini pada
umumnya adalah gen-gen yang terlibat di dalam suatu rangkain reaksi metabolisme
yang sama, misalnya metabolisme laktosa, arabinosa, dan lain-lain.
Pengelompokan gen-gen semacam ini dalam suatu operon membuat sel menjadi lebih
efisien, di dalam melakukan proses ekspresi. Sebaliknya, di dalam sistem jasad
eukaryot, sistem organisasi operon semacam ini tidak ada karena setiap gen
(struktural) di atur oleh satu promoter tersendiri.
Secara
umum dikenal dua sistem pengendalian ekpresi genetik yaitu pengendalian positif
dan pengendalian negatif. Pengendalian (regulasi) pada suatu gen atau operon
melibatkan aktivitas suatu gen regulator. Pengendalian positif pada suatu
operon artinya operon tersebut dapat diaktifkan oleh produk ekpresi gen
regulator. Sebaliknya, pengendalian negatif berarti operon tersebut
dinonaktifkan oleh produk ekspresi gen regulator. Produk gen regulator ada dua
macam yaitu aktivator, yang berperan dalam pengendalian secara positif, dan
represor yang berperan dalam pengendalian negatif. Produk gen regulator
(aktivator atau represor) bekerja dengan cara menempel pada sisi pengikatan
protein regulator pada daerah promoter gen yang diaturnya. Pengikatan aktivator
yang biasanya berupa molekul kecil, misalnya asam amino, gula, atau metabolit serupa
lainnya. Molekul efektor yang mengaktifkan ekspresi suatu gen disebut disebut
induser (inducer), sedangkan yang bersifat menekan ekspresi suatu gen disebut
represor.
Pengendalian
Negatif Operon Laktosa (Iac)
Sistem operon lac adalah
sistem pengendalian ekspresi gen-gen yang bertanggung jawab di dalam
metabolisme laktosa. Sistem tersebut pertama kali ditemukan pada bakteri Escherichia coli oleh Francois Jacob dan
Jacques Monod dibantu oleh Arthur Pardee pada akhir tahun 1950-an. Laktosa
adalah disakarida yang tersusun atas glukosa dan galaktosa. Jika bakteri E. coli ditumbuhkan dalam medium yang
mengandung sumber karbon glukosa dan laktosa secara bersama-sama, maka E. coli
akan menunjukkan pola pertumbuhan yang spesifik. Setelah melalui fase adaptasi,
E. coli memasuki fase eksponensial yang ditandai dengan fase stasioner. Setelah
mencapai fase stasioner beberapa saat, kemudian bakteri akan tumbuh lagi
memasuki fase eksponensial kedua sampai akhirnya mencapai fase stasioner akhir.
Dalam fase pertumbuhan semacam ini ada dua fase eksponensial. Pada eksponensial
pertama, E. coli menggunakan glukosa
sebagai sumber karbon sampai akhirnya glukosa habis dan E. coli mencapai fase stasioner yang pertama. Selanjutnya pada fase
eksponensial kedua, E. coli menggunakan
laktosa setelah glukosa benar-benar habis. Pada fase stasioner yang pertama
sebenarnya yang terjadi adalah proses ‘adaptasi’ kedua karena pada saat inilah
sebenarnya mulai terjadi proses induksi sistem operon laktosa yang akan
digunakan untuk melakukan metabolisme laktosa. Pola pertumbuhan semacam ini
disebut pola pertumbuhan diauksik (diauxic) yang berasal dari bahasa Latin
auxillium yang berarti bantuan karena kedua macam gula tersebut membantu
bakteri untuk tumbuh.
Pada
fase stasioner pertama, operon laktosa yang terdiri atas beberapa gen mulai
diaktifkan. Operon laktosa terdiri atas 3 gen struktural utama yaitu gen lacZ
(mengkode enzim β-galaktosidase), gen lacY (mengkode permease galaktosida), dan
gen lacA (transasetilase thiogalaktosida). Ketiga gen struktural yang berbeda
tersebut dikendalikan ekspresinya oleh satu promoter yang sama dan menghasilkan
satu mRNA yang bersifat polisistronik (polycistronic) karena dalam satu
transkrip terdapat lebih dari satu cistron (sinonim dari kata gen). Masing-masing
cistron tersebut ditranslasi menjadi tiga polipeptida yang berbeda tetapi
semuanya terlibat di dalam metabolisme laktosa. Selain ketiga gen struktural
tersebut, juga terdapat gen regulator lacl yang mengkode suatu protein represor
(tersusun atas 360 asam amino) dan merupakan bagian sistem pengendalian operon
laktosa. Operon laktosa dapat dikendalikan secara negatif maupun secara
positif.
Enzim
β-galaktosidase (tetramerik dengan empat subunit identik berukuran 116,4 kDa)
adalah enzim utama yang digunakan untuk memotong ikatan β-galaktosidik (ikatan
β-1,4) yang ada pada molekul laktosa (disebut juga β-galaktosida) sehingga
dihasilkan dua monosakarida, yaitu glukosa dan galaktosa. Enzim permease
galaktosida (berukuran 46,5 kDa) adalah enzim yang berperanan di dalam
pengangkutan laktosa dari luar ke dalam sel. Enzim yang ketiga, yaitu
transasetilase thiogalaktosida (30 kDa), sampai sekarang belum diketahui secara
jelas peranannya dalam metabolisme laktosa.
Pengendalian
operon laktosa secara negatif dilakukan
oleh protein represor yang dikode oleh gen lacl. Represor lacl adalah suatu
protein tetramerik yang tersusun atas empat polipeptida yang identik. Represor
ini menempel pada daerah operator (lacO) yang terletak di sebelah hilir dari
prometer operator lac berukuran sekitar
28 pasangan basa. Penempelan represor semacam ini menyebabkan RNA polimerase
tidak dapat melakukan transkripsi gen-gen struktural lacZ, lacY, dan lacA
sehingga operon laktosa dikatakan mengalami represi. Proses penekanan atau
represi semacam ini akan terjadi terus-menerus selama tidak ada laktosa di
dalam sel. Inilah yang disebut sebagai mekanisme efisiensi selular karena sel
tidak perlu mengaktifkan karena sel tidak perlu mengaktifkan operon laktosa
jika memang tidak ada laktosa sehingga energy selular dapat dihemat. Sel akan
cenderung untuk menggunakan sumber karbon yang lebih sederhana terlebih dahulu,
misalnya glukosa, untuk memenuhi kebutuhan selularnya. Setelah tidak ada lagi
glukosa di dalam sel, maka sel akan mencari alternatif sumber karbon yang
tersedia. Jika sel E. coli ditumbuhkan dalam medium yang mengandung glukosa dan
laktosa , maka setelah glukosa benar-benar habis sel akan melakukan metabolisme
laktosa yang ada dengan cara mengaktifkan terlebih dahulu sistem operon
laktosa. Proses pengaktifkan operon laktosa semacam ini disebut sebagai proses
induksi.
Induksi
operon laktosa dapat terjadi jika ada laktosa di dalam sel. Laktosa yang ada di dalam medium pertumbuhan
sel diangkut ke dalam sel dengan menggunakan enzim permease galaktosida. Operon
laktosa sebenarnya tidak sepenuhnya ketat karena di dalam sel selalu ada produk
ekspresi operon ini meskipun pada aras paling dasar (basal level). Oleh karena
itu, meskipun belum ada induksi sepenuhnya, di dalam sel sudah ada produk enzim
permease galaktosida. Enzim inilah yang akan mengangkut laktosa ke dalam sel.
Demikian pula dengan halnya dengan enzim β-galaktosidase di dalam sel yang
selalu ada dalam jumlah terbatas, meskipun belum ada induksi sepenuhnya,
sehingga dapat mengubah laktosa menjadi allolaktosa. Laktosa adalah disakarida
glukosa-galaktosa yang terikat melalui ikatan β-1,4, sedangkan allolaktosa
mempunyai ikatan β-1,6. Allolaktosa inilah yang sesungguhnya menjadi induser untuk
mengaktifkan operon laktosa.
Selama
tidak ada proses induksi, molekul represor yang dikode oleh lacl akan selalu
menempel pada operon lac. Meskipun demikian, RNA polimerase tetap dapat
menempel pada promoter lac, hanya saja tidak dapat melakukan transkripsi karena
terhambat oleh molekul represor yang menempel pada daerah operator. Represor
yang dikode oleh lacl merupakan molekul protein allosterik yang mempunyai sisi
pengikatan yang berbeda untuk DNA dan molekul induser. Protein allosterik
(allos (Latin) artinya lain, sedangkan sterik berasal dari kata stereo yang
berarti bentuk) adalah protein yang mempunyai dua sisi pengikatan dengan
molekul lain. Jika protein tersebut berikatan dengan suatu molekul, maka hal
ini akan mengubah bentuk protein pada sisi yang lain sehingga mengubah
interaksinya dengan molekul kedua. Molekul induser dapat terikat pada represor
yang berada dalam keadaan bebas di dalam sel maupun pada saat represor terikat
pada DNA. Dengan adanya induser (laktosa yang diubah menjadi allolaktosa) maka
molekul induser akan menempel pada represor. Penempelan tersebut akhirnya
mengubah secara allosterik konformasi molekul represor sehingga represor tidak
dapat menempel lagi pada operator. Oleh karena itu, daerah operator berada
dalam keadaan bebas sehingga dapat dilewati oleh RNA polimerase untuk melakukan
transkripsi gen lacZ, lacY, dan lacA. Setelah ditranskripsi, transkrip yang
membawa kodon-kodon untuk ketiga macam enzim tersebut selanjutnya ditranslasi
menghasilkan enzim β-galaktosidase, permease galaktosida, dan transasetilase
thiogalaktosida. Enzim β-galaktosidase dan permease galaktosida itulah yang
akhirnya digunakan untuk metabolisme laktosa.
Gambar Operon
Lac
Pengendalian
Operon Triptofan (trp)
Operon trp berperan di dalam
sintesis asam amino triptofan pada E. coli. Operon trp dikendalikan melalui dua
macam mekanisme yaitu: (1) penekanan (represi) oleh produk akhir ekpresi, dan
(2) pelemahan (attenuation). Operon ini dikendalikan secara negatif oleh suatu
represor seperti pada operon lac. Meskipun demikian, ada perbedaan fundamental
antara kedua operon tersebut. Operon lac adalah operon yang mengkode
enzim-enzim katabolik, yaitu enzim yang digunakan untuk merombak suatu senyawa,
sedangkan operon trp adalah operon yang mengkode enzim-enzim anabolik yang
digunakan untuk sintesis suatu senyawa. Operon untuk enzim katabolik cenderung
akan diaktifkan jika ada senyawa yang akan dirombak, misalnya laktosa.
Sebaliknya, operon untuk enzim anabolik pada umumnya akan dinon-aktifkan jika
tersedia senyawa yang akan disintesis, misalnya asam amino triptofan. Oleh
karena itu, jika di dalam sel sudah tersedia cukup triptofan maka operon trp
akan dinon-aktifkan. Selain dengan mekanisme pengendalian negatif semacam ini,
operon trp juga mempunyai mekanisme pengendalian lain, yaitu mekanisme
pelemahan yang tidak ada pada operon lac.
Pengendalian
negatif operon trp dilakukan dengan cara menekan ekspresi gen-gen dalam operon
ini pada saat tersedia triptofan dalam jumlah banyak. Operon trp terdiri atas 5
gen struktural, yaitu trpE, D,C,B, dan A. Promoter dan operator operon ini
terletak pada daerah yang sama. Hal ini berbeda dengan operator lac yang
terletak tepat pada sisi sebelah hilir promoter lac. Pada daerah hilir setelah
promoter, tetapi sebelum daerah gen struktural, terdapat suatu urutan
nukleotida (trpL) yang mengkode suatu polipeptida awal berukuran pendek (leader
peptide) yang terdiri atas 14 asam amino dan tidak fungsional sebagai protein.
Sekuens gen peptida awal tersebut mempunyai kodon inisiasi translasi AUG
diikuti oleh 13 kodon asam amino dan kodon terminasi translasi UGA. Gen
struktural trpE mempunyai kodon inisiasi translasi (AUG) tersendiri yang
berbeda dari kodon inisiasi pada sekuens peptida awal. Setelah sekuens trpL
terdapat suatu sekuens yang mempunyai fungsi khusus dalam pengendalian dengan
mekanisme pelemahan (attenuation) yang disebut sebagai daerah attenuator.
Selain itu, juga ada gen regulator operon trp yaitu trpR yang mengkode sintesis
aporepresor yang tidak aktif jika tidak ada triptofan.
Pada
saat triptofan tidak tersedia, atau hanya tersedia dalam jumlah sangat
terbatas, gen trpR hanya menghasilkan aporepresor yang tidak mampu menempel
pada daerah operator sehingga RNA polymerase dapat dengan mudah melakukan
transkripsi gen-gen structural trpE, D, C, B dan A setelah melewati daerah
attenuator. Sebaliknya pada saat tersedia triptofan dalam jumlah banyak,
aporepresor yang dikode oleh trpR akan berikatan dengan molekul triptofan
(disebut sebagai ko-represor) sehingga terjadi perubahan struktural pada
protein aporepresor menjadi protein represor yang fungsional. Perubahan
structural tersebut mengakibatkan represor dapat menempel pada daerah promoter
operon trp sehingga RNA polymerase tidak dapat melakukan transkripsi gen-gen
structural.
Gambar Operon trp
Thnx :-) (y)
BalasHapus