Pengendalian negatif operon laktosa (lac)

NAMA       :  NATHAN PASIGA

NIM  : 11-901-205

KELAS       : E11

1.       Pengendalian negatif operon laktosa (lac)

System operon lac adalah system pengendalian ekspresi gen-gen yang bertanggung jawab di dalam metabolisme laktosa.

Pengendalian operon laktosa secara negatif dilakukan oleh protein represor yang dikode oleh gen lacl. Repressor lacl adalah suatu protein tetramerik yang tersusun atas empat polipeptida yang identik.Represor ini menempel pada daerah operator (lacO) yang terletak disebelah hilir dari promotor.Operon 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 terjadi terus menerus selama tidak ada laktosa di dalam sel. Inilah yang disebut mekanisme efisiensi seluler karena sel tidak perlu mengaktifkan operon lactose jika memang tidak ada lactose sehingga energy seluler 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 alternatife sumber karbon yang tersedia. Jika sel E.coli ditumbuhkan dalam medium yang mengandung glukosa dan lactose, maka setelah glukosa benar-benar habis sel akan melakukan metabolism lactose yang ada dengan cara mengaktifkan terlebih dahulu system operon lactose. lactose Proses pengaktifan operon lactose semacam ini disebut sebagai proses induksi.

Induksi operon lactosa dapat terjadi jika ada lactosa di dalam sel. Lactosa yang ada di dalam medium pertumbuhan sel diangkut ke dalam sel dengan menggunakan enzim permease galaktosida. Operon lactose sebenarnya tidak sepenuhnya ketat karena di dalam sel selalu ada produk ekspresi operon ini meskipun pada aras paling dasar. 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 halnya dengan enzim β galactosidase di dalam sel yang selalu ada dalam jumlah terbatas, meskipun belum ada induksi sepenuhnya, sehingga dapat mengubah lactose menjadi allolactosa. Laktosa adaalh disakarida glukosa/galaktosa yang terikat melalui ikatan β-1,4, sedangkan alloklactosa mempunyai ikatan β-1,6. Allolaktosa ini yang sesungguhnya menjadi inducer untuk mengaktifkan operon lactose Yuwono , 2005).

2.       Pengendalian positif operon laktosa (lac)

Selain dikendalikan secara negatif, operon lac juga dikendalikan secara positif. Dalam sistem semacam ini operon lac diaktifkan kembali setelah sebelumnya ditekan sampai aras paling dasar (basal level). Pengendalian positif memberikan keuntungan bagi sel karena operon laktosa tetap dalam keadaan nonaktif selama masih tersedia glukosa dalam jumlah banyak. Dalam kasus operon lac, penghilangan represor dari operator tidak cukup untuk mengaktifkan operon tersebut sehingga diperlukan suatu sistem yang bekreja secara positif (mempercepat) proses pengaktifan operon. Pada saat E. coli ditumbuhkan dalam medium yang mengandung dua macam sumber karbon yang berbeda, yaitu glukosa dan laktosa, maka sel tidak perlu mengaktifkan operon laktosa jika di dalam sel masih tersedia glukosa.Hal ini ditunjukkan dalam suatu eksperimen menggunakan E. coli yang ditumbuhkan dalam medium yang mengandung suksinat dan IPTG (isopropil thigaluktosida).IPTG mempunyai struktur yang mirip dengan laktosa sehingga dapat berfungsi sebagai inducer operon laktosa.Pada saat awal ketika IPTG tersedia, b-galaktosidase dapat diekspresikan.Akan tetapi ketika ditambahkan glukosa maka sintesis enzim ini mengalami penurunan yang tajam.Pada awalnya diduga bahwa suatu katabolic glukosa (produk pemecahan glukosa) menjadi penyebab fenomena ini sehingga kemudian dikenal sebagai fenomena represi katabolic atau efek glukosa. Akan tetapi, ketika molekul nukleotida cAMP (cyclic AMP) ditambahkan bersama-sama dengan glukosa, proses represi sintesis b-galaktosidase tidak terjadi. Represi katabolic semacam ini juga terjadi operon yang lain.

Represi katabolik pada operon lac dilakukan melalui protein regulator yang dikenal sebagai CAP (catabolic activator protein) dan suatu molekul efektor
yaitu cAMP. Telah diketahui bahwa E. coli konsentrasi cAMP yang disintesisi
oleh enzim adenil siklase, berkebalikan dengan konsentrasi glukosa dalam sel. Hal
itu berarti bahwa jika konsentrasi glukosa rendah, maka konsentrasi cAMP
meningkat. Pada saat konsentrasi cAMP meningkat, yaitu pada saat konsentrasi
glukosa rendah, cAMP akan berikatan dengan CAP dun mengaktifkan operon lac.

Jadi secara umum dapat dijelaskan bahwa pengikatan CAP-cAMP pada promotor menyebabkan RNA polimerase dapat tertarik pada promotor membentuk kompleks promotor tertutup (close promotor complex) yang selanjutnya akan menjadi kompleks promotor terbuka yang siap melakukan ripsi. Pengikatan RNA polimerase pada promotor tersebut difasilitasi oleh CAP-cAMP melalui interaksi protein-protein, pembengkokkan DNA atau kedua-nya.

3.            Pengendalian operon triptofan (trp)

Operon trp berperanan di dalam sintesis asam amino triptofan pada E. coli.Operon trp, dikendalikan melalui dua macam mekanisme yaitu : (1) penekanan (represi) oleh produk akhir ekspresi, dan (2) pelemahan (attenuation). Operon ini dikenal 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 anabolic pada umumnya akan dinonaktifkan jika tersedia senyawa yang akan disintesis, misalnya triptofan, maka operon trp akan dinonaktifkan. 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 itu pada saat tersedia triptofan dalam jumlah banyak. Operon trip terdiri atas 5 gen struktural, yaitu tripE, D, C, B dan A. Promotor dan operator operon ini terletak pada daerah yang sama. Hal ini berbeda dengan operator lac yang terletak tepat pada sisi sebelah hilir promotor lac. Pada daerah hilir setelah promotor, tetapi sebelum daerah gen struktural, terdapat suatu urutan nukleotida (trpL) yang mengkode suatu polipeptida awal berukuran pendek (leader peptida) 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 transalsi UGA. Gen struktural trpE mempunyai kodon inisiasi translasi (AUG) tersendiri yang berbreda 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.

Selain dengan mekanisme pengendalian negatif semacam trp, operon trp juga dikendalikan melalui mekanisme pelemahan.Perlu dipahami bahwa sistem represi operator trp sebenarnya tidak cukup kuat, jauh lebih lemah dibandingkan represor operon lac, sehingga transkripsi gen-gen struktural trp masih dapat terjadi meskipun ada protein represor. Oleh karena itu, diperlukan mekanisme pengendalian yang lain untuk meningkatkan efisiensi selular karena sintesis asam amino triptofan memerlukan banyak energi.

Jika triptofan dalam jumlah banyak, pada awalnya RNA polimerase akan melakukan transkripsi sekuens trpL yang kemudian langsung diikuti dengan transalsi transkrip trpL. Perlu diingat bahwa dalam sistem prokaryot, tarnskripsi akan langsung diikuti dengan translasi, berbeda dengan eukaryot yang memiliki sistem terpisah. Meski trpL dapat ditranskripsi namun proses transkripsi tersebut akan segera diakhiri karena daerah attenuator mempunyai sekuens terminator transkripsi sehingga akhirnya RNA polimerase terlepas dari DNA sebelum mencapai gen-gen struktural trpEDCBA. Sekuens terminator pada daerah attenuator berupa suatu sekuens berulang-terbalik (inverted repeat) yang diikuti oleh delapan pasangan A-T. Dengan adanya sekuens berulang-balik semacam ini, maka transkrip mRNA pada daerah ini akan cenderung mengalami pasangan basa intramolekuler membentuk struktural sekunder jepit rambut (hair pin). Pembentukan struktur jepit rambut yang diikuti dengan rangkaian basa U tersebut menyebabkan ikatan antara transkripsi dengan DNA menjadi tidak stabil sehingga akhirnya transkrip terlepas dan transkripsi tidak dapat dilanjutkan.

4.            Pengendalian Operan ara

            Katabolisme L-arabinosa oleh E-coli melibatkan tiga enzim yang dikode oleh tiga gen berurutan, yaitu araB, araA, dan araD. Aktivitas transkripsi ketiga gen tersebut diatur oleh gen keempat yaitu araC. Lokus araC dan araBAD ditranskripsi dengan arah yang berlawanan oleh suatu daerah promotor sentral.Aktivitas ipromotor araC (P_c) maupun promotor araBAD (P_BAD) distimulasi oleh CAP-cAMP. Operon ara mempunyai dua operator yaitu araO₁ (mengendalikan araC) dan araO₂ (mengendalikan araBAD). Operator araO₂ terletak cukup jauh dari promotor P_BAD (pada posisi-265 dan -294) tetapi masih mampu melakukan pengendalian transkripsi. Sisi pengikatan CAP terletak sekitar 200 bp disebelah hulu dark promotor ara. Protein araC (dikode oleh araC) mempunyai 3 daerah pengikatan yaitu pada araO₂, araO_l, dan pada aral yang dapat dibedakan menjadi dua sub-bagian yaitu aral₁ dan aral₂.

Pada saat tidak tersedia arabinosa, sehingga tidak diperlukan enzim untuk katabolisme, protein araC melakukan pengendalian negatif dengan cara menempel pada araO₂ dan aral₁. Penempelan itu menyebabkan DNA membengkok sehingga menekan transkripsi operon araBAD.Sebaliknya, jika arabinosa tersedia, terjadi perubahan konfirmasi protein araC sehingga protein regulator tersebut tidak dapat menempel pada araO₂ melainkan melekat pada aral₁ dan aral₂. Hal ini menyebabkan penghilangan struktur bengkokkan DNA yang sebelumnya menekan operon ara BAD sehingga operon ini dapat ditranskripsi dan translasi menghasilkan enzim-enzim yang digunakan untuk metabolisms arabinosa.

Protein araC sendiri juga dapat diatur aras sintetisnya dengan mekanisme autoregulasi. Gen araC ditranskripsi kearah kiri dari promotornya (P_C) sementara disemailah kirinya (disemailah hulu dari araC) terdapat operator araO₁. Pada saat konsentrasi araC meningkat, protein ini akan menempel pada araO₁ sehingga  akhirnya menghambat transkripsi araC kearah kiri (kearah hulu dari lokus araC). Penghambatan transkripsi araC ini pada akhirnya akan mengurangi jumlah protein represor sehingga tidak disintesisi dalam jumlah berlebihan.

5.           Pengendalian Operon gal

            Operon gal pada E. coli terdiri atas tiga gen struktural, yaitu galE, galT, dan galK yang ditranskripsi dari dua promotor yang saling tumpang tindih pada sisi sebelah hulu dari galE. Operon ini selain bertanggung jawab dalam metabolisme galaktosa sebagai sumber karbon, juga berperan dalam mengubah UDP-glukosa menjadi UDP-galaktosa pada waktu tidak ada galaktosa. Meskipun transkripsi kedua promotor gal dapat diinduksi oleh galaktosa, tetapi produk galE dalam aras dasar selalu dibutuhkan pada saat tidak tersedia galaktosa. Operon gal juga diatur oleh sistem represi katabolic. Pada saat konsentrasi cAMP tinggi, kompleks CAP-cAMP akan menstimulasi transkripsi dari promotor pertama sekaligus menekan promotor kedua sehingga terbentuk produk gen-gen struktural operon gal. Sebaliknya, jika bakteri ditumbuhkan dalam medium yang mengandung glukosa, sehingga konsentrasi cAMP rendah, maka transkripsi dimulai dari promotor kedua yang terletak disemailah hulu promotor pertama. Keadaan ini menyebabkan disintesisinya enzim-enzim gal pada aras dasar (basal level). Kedua promotor gal tersebut dikendalikan secara negatif oleh produk gen galR yang tidak terikat dengan operon gal.