Operon Bakteri [PDF]

Citation preview

RINGKASAN Karakteristik organisme prokariotik adalah adanya operon. Operon merupakan kumpulan gen yang lokasinya berdekatan antara satu dengan yang lain pada suatu genom prokariotik, dimana hanya terdapat satu atau dua nukleotida pada akhir suatu gen dan dapat dijadikan sebagai penyambung pada gen berikutnya. Operon sangat berperan pada proses ekspresi gen, dimana semua gen dalam satu operon diekspresikan sebagai unit tunggal. Model yang dikenal sebagai operon ada dua unsur yang mengatur ekspresi gen struktural penyandi enzim yaitu gen regulator (repressor) dan operator yang letaknya berdekatan dengan gen-gen struktural yang diaturnya. Salah satu contoh operon yang pertama kali ditemukan adalah operon lac. Operon lac merupakan suatu kumpulan tiga gen (lacZ,lacY, dan lacA) yang mengkode enzim yang terlibat pada penggunaan laktosa oleh bakteri Eschericia coli, dimana Operon lac dapat mempercepat ekspresi gen. LacY mengkode laktosa permease yang mentransport laktosa ke dalam sel, sedangkan lacZ dan lacA berfungsi mengkode enzim yang memisahkan laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Ekspresi gen tidak dapat berjalan atau inaktif apabila tidak terdapat operon yang menginduksinya. Hal ini didukung dengan adanya laktosa yang mengaktivasinya sehingga gen dapat terekspresikan. Operon mengkonversi disakarida berupa laktosa menjadi monosakarida berupa glukosa dan galaktosa. Monosakarida hasil konversi ini merupakan substrat untuk penghasil energi pada jalur glikolitik. Hal ini berarti bahwa gen-gen pada operon lac adalah untuk mengkonversi laktosa ke dalam bentuk yang dapat digunakan oleh bakteri E.coli sebagai sumber energi. Laktosa bukan merupakan komponen umum bakteri E.coliyang terdapat di alam, dimana operon tidak dapat diekspresikan dan penggunaan enzim pada penggunaan laktosa tidak diproduksi oleh bakteri tersebut. Laktosa yang telah tersedia dapat mengekspresikan (switch on) operon. Hal ini mengakibatkan ketiga gen yang terdapat di dalam operon lac dapat terekspresikan secara bersama dan hasilnya akan mengkordinasi sintesis laktosa dengan penggunaan enzim.



Gambar 1: Peranan operon lac pada proses transkripsi, tanpa adanya laktosa, maka repressor lac akan mengikat operator dan apabila ada laktosa maka repressor akan bergerak, kemudian RNA polymerase akan terikat pada promoter menyebabkan RNA telah ditranskripsi yang kemudian akan berlangsung translasi dan terbentuk enzim laktase. Bakteri E.coli dan Bacillus substilis memiliki operon yang berjumlah sama dan mengandung dua atau lebih gen. Gen-gen dalam operon secara fungsional saling berhubungan satu sama lain untuk mengkode sejumlah protein yang terlibat aktivitas biokimia tunggal seperti pada penggunaan gula sebagai sumber energi atau sintesis asam amino. Jenis operon yang kedua yaitu operon tryptophan pada E.coli. Tryptophan operon adalah contoh operon biosintesis yang ekspresinya diregulasi oleh sebuah effector. Operon ini mengandung lima buah gen struktural yang mengkode tiga enzim yang diperlukan untuk konversi asam chorismic menjadi tryptophan, yaitu : antrhanilate syntetase (komponen I yang dikode oleh trpE dan komponen II yang dikode oleh trpD), N-(5′-phosphoribosyl)-anthranilate isomerase/Indole-3-glycerol phosphate synthase yang disandikan oleh trpC, Tryptophan synthase (β-subunit yang disandikan oleh trpBI dan α-subunit yang disandikan oleh trpA).



Gambar 2: dua macam operon pada E.coli (A) Operon lac yang memiliki tiga macam gen yaitu lacZ, lacY, dan lacA. (B) Operon Tryptophan yang memiliki lima macam gen. Sumber: Figure 2.2 (Brown, 2002).



Regulasi lac operon March 25, 2010Biologi molekulerlac operon



Pengendalian ekspresi genetik merupakan aspek yang sangat penting bagi jasad hidup, termasuk prokaryaot. Tanpa sistem pengendalian yang efisien, sel akan kehilangan banyak energy yang justru merugikan jasad hidup. Bakteri Escherichia colimerupakan salah satu contoh jasad hidup prokaryot yang paling banyak dipelajari aspek fisiologi dan molekulernya. Bakteri ini mempunyai lebih dari 3000 gen yang berbeda dan genomnya telah dipetakan serta diketahui urutan basa nukleotidanya secara lengkap.



Tidak semua di antara sekian banyak gen pada genom E. coli diaktifkan pada saat yang bersamaan karena keadaan semacam ini justru akan menguras energy selular yang akan memperlambat laju pertumbuhan sel. Oleh karena itu, dalam system molecular jasad ini ada banyak sistem pengendalian ekspresi genetik yang menentukan kapan gen tertentu diaktifkan dan diekspresikan untuk menghasilkan suatu produk ekspresi. Sebagai contoh, jika dalam medium pertumbuhan E. coliterdapat gula sederhana, misalnya glukosa (monosakarida), maka sel tidak perlu menjalankan sistem ekspresi gen-gen yang bertanggung jawab untuk metabolisme gula yang lebih kompleks, missal laktosa (disakarida). Gen-gen yang bertanggung jawab dalam metabolisme laktosa baru akan diaktifkan setelah malalui suatu sirkuit regulasi tertentu. Dalam sel prokaryot, ada beberapa gen structural yang disekspresikan secara bersamsama 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 rangkaian reaksi metabolism yang sama, misalnya metabolism laktosa, arabinosa dan lain-lain. Pengelompokan gen semacam ini di dalam suatu operon membuat sel menjadi lebih efisien di dalam melakukan proses ekspresi genetic. Sebaliknya di dalam jasad eukaryotic, sistem organisasi operon semacam ini tidak ada karena setiap gen diatur oleh promoter tersendiri.. Secara umum dikenal dua sistem pengendalian ekspresi genetic yaitu pengendalian positif dan pengendalian negative. Pengendalian (regulasi) pada suatu gen atau operon melibatkan aktivitas gen regulator. Pengendalian positif pada suatu operon artinya operon tersebut dapat diaktifkan oleh produk ekspresireh gen regulator. Sebaliknya, pengendalian negative berarti operon tersebut dinonaktifkan oleh produk ekspresi gen regulator. Produk gen regulator ada dua macam yaitu activator, yang berperan dalam pengendalian secara positif dan repressor yang berperan dalam pengendalian secara negative. Pengikatan activator atau repressor pada promoter ditentukan oleh keberadaan suatu molekul efektor yang biasanya berupa molekul kecil, misalnya asam amino, gula, atau metabolit serupa lainnya. Molekul efektor yang mengaktifkan ekspresi suatu gen disebut inducer, sedangkan yang bersifat menekan ekspresi suatu gen disebut repressor. PENGENDALIAN OPERON LAKTOSA (LAC) Sistem lac operon adalah sistem pengendalian ekspresi gen-gen yang bertanggung jawab di dalam metabolism laktosa. Sistem tersebut pertama kali ditemukan pada bakteri Escherichia coli oleh Francois Jacob dan Jaques Monod 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 makaE. coli akan menunjukkan pola pertumbuhan yang spesifik. Setelah melalui fase adaptasi,E.coli memasuki fase eksponensial yang ditandai dengan laju pertumbuhan yang meningkat secara eksponensial, kemudian akan mencapai 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 fase 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 benarbenar habis. Pada fase stationer yang pertama sebenarnya yang terjadi adalah proses induksi sistem operon laktosa yang akan digunakan untuk melakukan matabolisme laktosa.



Disakarida laktosa (gula susu) akan tersedia bagi E. coli apabila manusia inangnya minum susu. Bakteri dapat menyerap laktosa dan memecahnya untuk memperoleh energi atau menggunakannya sebagai sumber karbon organik untuk mensintesis senyawa lain. Metabolism laktosa dimulai dengan hidrolisis disakarida menjadi dua komponen monosakaridanya, glukosa dan galaktosa. Enzim yang mengkatalis reaksi ini disebut ß-galaktosidase. Hanya sedikit molekul enzim yang terdapat pada sel E. coli yang selama ini tumbuh dalam keadaan tanpa laktosa–misalnya di usus seseorang yang tidak minum susu. Tetapi jika laktosa ditambahkan pada medium nutrient bakteri tersebut, hanya dalam 15 menit jumlah molekul ß-galaktosidase di dalam sel ini akan meningkat ribuan kali lipat. Operon laktosa terdiri atas 3 gen structural utama yaitu gen lac Z mengkode enzim βgalaktosidase yang menghasilkan dua monosakarida yaitu glukosa dan galaktosa, gen lac Y mengkode permease galaktosida, yaitu enzim yang berperan dalam pengangkutan laktosa dari luar ke dalam sel, dan gen lac A mengkode enzim transasetilase thiogalaktosida yang perannya belum diketahui secara jelas. Ketiga gen struktural tersebut dikendalikan ekspresinya oleh satu promoter yang sama dan menghasilkan satu mRNA yang bersifat polisistronik. Selain ketiga gen structural tersebut, juga terdapat gen regulator lac I yang mengkode suatu protein repressor dan merupakan bagian sistem pengendalian operon laktosa.



Gen untuk ß-galaktosidase merupakan bagian dari sebuah operon, operon lac (lacuntuk metabolism laktosa), yang mencakup dua gen lain yang mengkode protein yang berfungsi di dalam metabolisme laktosa. Keseluruhan unit transkripsi ini berada di bawah perintah satu operator dan satu promoter. Gen pengatur, lacl, terletak di luar operon, mengkode protein repressor alosterik yang dapat mengubah operon lac ke keadaan off dengan cara mengikatkan diri pada operator. Dalam keadaan ini, suatu molekul kecil yang spesifik, disebut induser, menginaktifkanrepresor. Untuk operon lac, indusernya adalah alolaktosa, sebuah isomer dari laktosa yang terbentuk dalam jumlah kecil dari laktosa yang masuk ke dalam sel.



Pada keadaan tidak ada laktosa (sehingga alolaktosa juga tidak ada), repressor lac akan berada dalam konfigurasi aktifnya, dan gen-gen operon lac akan berada dalam keadaan diam. Jika laktosa ditambahkan ke medium nutrient sel tersebut, alolaktosa akan mengikatkan diri pada repressor lac dan mengubah konformasinya, menghilangkan kemampuan repressor untuk mengikatkan diri pada operator. Sekarang, karena dituntut oleh kebutuhan, operon lac menghasilkan mRNA untuk enzim-enzim jalur laktosa. Dalam konteks pengaturan gen, enzim-enzim ini dipandang sebagai enzim indusibel, karena sintesisnya dipengaruhi oleh sinyal kimiawi (alolaktosa, dalam kasus ini).



lac operon inducer A. PENGATURAN GEN YANG BERSIFAT POSITIF Agar enzim yang memecah laktosa dapat disintesis dalam jumlah layak, tidak cukup dengan hanya adanya laktosa di dalam sel bakteri. Persyaratan lainnya adalah pasokan gula glukosa sederhana harus rendah. Apabila harus memilih antara substrat-substrat untuk glikolisis dan jalur katabolic lain, E.Coli lebih senang menggunakan glukosa, gula yang biasanya selalu ada di lingkungan.



Bagaimana sel E. coli mengetahui konsentrasi glukosa ini, dan bagaimana informasi ini disampaikan ke genom? Sekali lagi, mekanisme tersebut mengandalkan interaksi antara protein pengatur alosterik dengan suatu molekul organic yang berukuran kecil. Molekul kecil itu adalah AMP siklik (cAMP), yang berakumulasi bila glukosa tidak ada. Protein pengaturnya adalah protein repressor cAMP (cAMP receptor protein atau CRP), dan protein ini merupakan activator transkripsi. Ketika cAMP mengikatkan diri ke lokasi alosterik pada CRP, protein akan berubah ke bentuk aktifnya, dan dapat mengikatkan diri pada suatu tempat tertentu di sebelah promoter lac. Penempelan CRP pada DNA ini membuat RNA polymerase lebih mudah mengikatkan diri pada promoter di dekatnya dan memulai proses transkripsi operon. Karena CRP merupakan protein pengatur yang langsung menstimulasi ekspresi gen, mekanisme ini dapat disebut sebagai pengaturan positif. Jika jumlah dari glukosa di dalam sel meningkat, konsentrasi cAMP menurun, dan CRP akan lepas dari operon lac. Oleh karena itu, operon lac berada di bawah control ganda; control negative oleh repressor lac dan kontrol positif oleh CRP. Kondisi repressor lac (dengan atau tanpa alolaktosa) menentukan terjadi atau tidaknya transkripsi dari gen-gen operon lac, kondisi CRP (dengan atau tanpa cAMP) mengontrol laju transkripsi jika operonnya bebas dari repressor. Yang tampak adalah operon seakanakan memiliki saklar on-off dan kontrol volume kedua-duanya sekaligus.



Jadi secara umum dapat dijelaskan bahwa pengikatan CAP-cAMP pada promoter menyebabkan RNA polimerase dapat terikat pada promoter membentuk kompleks promoter tertutup (clossed promoter complex) yang selanjutnya akan menjadi kompleks promoter terbuka yang siap melakukan transkripsi. Pengikatan RNA polimerase pada



promoter tersebut difasilitasi oleh CAP-cAMP melalui interaksi protein-protein, pembengkokan DNA, atau keduanya.