REGULASI KERJA GEN PADA PROKARIOTIK

Regulasi ekspresi gen banyak dimengerti melalui mekanisme yang dipalajari pada

bakteri. System regulasi yang pertama dimengerti ialah system regulasi operon laktosa pada

bakteri E. coli oleh Jacob dan Monod. Regulasi ini berperan dalam mengatur produksi enzim B-

galaktosidase, ketika bakteri harus memilih menggunakan laktosa atau glukosa sebagai

sumber karbonnya.

Berikut ini akan dijelaskan dua system regulasi yang paling umum dilakukan padabakteri,

yaitu system operon laktosa (operon lac) dan system operon triptofan (operon trp). Padaoperon

lac ekspresi gen diatur pada tingkat promoter, yaitu mengatur kontak kontak antara promoter

dengan enzim transkiptase (pengendali transkipsi). Pada operom yaitu triptofan sudah mencapai

kuantitas yang dibutuhkan .

System regulasi operon laktosa

Laktosa adalah gula bisakarida, yaitu gula yang tersusun atas dua molekul gula

sederhana, yaitu glukosa dan galaktosa. Laktosa dapat diuraikan menjadi glukosa dan galaktosa

dengan bantuan enzim B-galaktosidase. Bakteri E. coli dalam hidupnya dapat memanfaatkan baik

laktosa maupun glukosa tergantung gula mana yang tersedia di lingkungan. Bakteri E. coli mempunyai

kemampuan mensintesis B-galaktosidase sehingga bila laktosa yang dimanfaatkansebagai sumber karbon

maka bakteri tersebut akan mampu mengubah laktosa menjadi glukosadan galaktosa. Namun bila tersedia

laktosa dan glukosa maka bakteri akan memilih glukosa sebagai sumber karbon, karena glukosa

merupakan gula yang lebih langsung dimanfaatkan dalam proses metabolisme.

Kemampuan bakteri untuk memilih laktosa dan glukosa sebagai sumber karbon telah

memunculkan pertanyaan apakah bakteri akan tetap mensintesis B-galaktosidase seandainya glukosa

yang jadi pilihan. Jawabannya ialah bahwa bakteri mampu mengatur ekspresi gen penyandi B-

galaktosidase sesuai dengan pilihan sumber karbon yaitu laktosa atau glukosa.

Pengaturan ekspresi gen ini disebut system regulasi ekspresi gen, dan system ini pertama kali

dijelaskan oleh Jacob dan Monod. System regulasi yang ditemukan oleh mereka sekarang dikenal sebagai

system regulasi operon laktosa. System regulasi ini merupakan system regulasi pada tingkat inisiasi

transkipsi atau regulasi pada tingkat promoter.

Jacob dan Monod memperkenalkan istilah operon, yang mempunyai pengertian sekelompok gen

yang diapit secara bersamaan oleh sepasang promoter dan terminator. Gen-gen pada satu operon akan

diekspresikan secara bersamaan melalui inisiasi transkipsi pada promoter yang sama dan berakhir pada

terminator yang sama. Pada operon laktosa terdapat tiga gen yaitu lac-Z, lac-Y, dan lac-A, yang masing-

masing menyandikan B-galaktosidase, permease, dan transasetilase. Gen-gen yang berada pada satu

operon mempunyai hubungan fungsi dalam metabolisme.

Pengaturan ekspresi operon laktosa dilakukan oleh suatu protein regulator yang akan berinteraksi

dengan promoter. Protein regulator tersebut akan menentukan inisiasi translasi yang dilakukan oleh

transkiptase. Protein pengatur dihasilkan oleh gen regulator, yaitu gen yang produk ekspresinya berperan

mengatur ekspresi gen lain. Dalam kasus operon lakotsa terdapat dua gen regulator yaitu lac-I dan gen

crp. Gen lac-I berhubungan dengan kehadiran laktosa,sedangkan gen crp berhubungan dengan kehadiran

glukosa. Gen yang diatur tersebut dinamakangen structural, sebagai contoh gen lac-Z, lac-Y, dan lac-A

pada operon laktosa. Jadi gen regulator berperan mengatur ekspresi gen structural.

Gen lac-I akan menghasilkan suatu polipeptida, yang kemudian setiap empat polipeptida akan

membentuk satu molekul protein tetramer yang berperan sebagai regulator.

Dalam proses regulasi protein tetramer ini akan menempel pada suatu wilayah promoter

yang disebut operator. Penempelan itu terjadi karena ada kecocokam tertentu antara runtutan

basa operator dengan protein regulator. Akibat adanya protein regulator yang menempati wilayah

operator maka transkiptase tidak dapat melakukan inisiasi translasi, sehingga gen-gen

yangterdapat di belakang promoter menjadi tidak terekspresi. Protein regulator seperti di atas

bersifat menghalangi atau menekan terjadinya transkipsi maka disebut inhibitor. Lawan sifat

darirepresos disebut activator, yaitu bersifat mendorong terjadinya ekspresi gen. dalam

systemregulasi ini laktosa yang diambil oleh bakteri dapat berinteraksi dengan protein regulator

danasosiasi yang akan mengubah konfigurasi molekul protein regulator. Perubahan konfigurasi

padaprotein repressor menyebabkan protein protein tersebut menjadi tidak mampu berasosiasi

dengan operator. Dengan tidak adanya inhibitor pada promoter maka transkiptase menjasi

tidak terhalang untuk melakukan inisiasi transkipsi, dan terjadi ekspresi gen0gen pada operon

laktosa.

Bila bakteri telah menkonversi laktosa menjadi glukosa, dan bila kuantitas glukosasudah

mencukupi maka B-galaktosidaseharus dihentikan sintesisnya. Regulasi oleh glukosa inidisebut

represi katabolit atau represi glukosa. Proses regulasi ini melibatkan tiga komponen

yaituglukosa, cAMP (cyclic AMP), dan CAP (protein aktivator). CAP merupakan protein

yangberperan mengaktifkan enzim transkiptase, protein ini disandikan oleh gen regulator

crp.Asosiasi antara CAP dengan transkiptase menyebabkan transkiptase menjadi aktif dan

mampumengkatalis proses transkipsi, tanpa CAP transkiptase menjadi tidak aktif.

Glukosa mengatur aktivitas CAP melalui pengaturan cAMP. Antara CAP dan

cAMPdapat terbentuk asosiasi, dan asosiasi ini akan menyebabkan CAP aktif berperan

sebagaiactivator, CAP yang terbebas dari cAMP tidak dapat berperan sebagai activator.

Kuantitas cAMPberbendung terbalik dengan kuantitas glukosa. Saat glukosa di dalam sell

berjumlah kecil cAMPditemukan dalam jumlah yang besar, dan sebaliknya. Dalam keadaan

kuantitas rendah cAMPtidak dapat berasosiasi dengan CAP, akibatnya CAP tidak dapat menjadi

activator. Jadi pada saatglukosa rendah cAMP berada dalam jumlah besar dan membentuk

asosiasi cAMP-CAP yangberperan menjadi anktivator enzim transkiptase, sehingga terjadi

transkipsi operon laktosa.

System regulasi Operon Triptofan

Triptofan trp memiliki lima gen struktural yaitu trp-E, trp-D. trp-C, trp-B, dan trp-A.Gen

pengawal trp-L pada yang berfungsi sebagai regulator. Gen-gen yang structural yang terdapat

pada operon triptofan berfungsi untuk menyandikan enzim yang memegang peranan dalam metabolism

triptofan. Trp-L merupakan gen yang paling dekat pada promotor.

Regulasi operon trp berlangsung pada tingkat RNA hasil transkripsi. Gen pengawal(trp-L) yang

terletak tepat di belakang promotor, berfungsi sebagai regulator. Inisiasi transkripsi,pada promotor, akan

berjalan tanpa hambatan dan transkriptase masuk ke ruas trp-L. Regulasi terjadi ketika saat enzim

transkriptase berada pada ruas trp-L, yang akan menentukan berjalannya proses transkripsi.

Kuantitas tiptofan dalam sel mengendalikan ekspresi gen-gen pada operon ini. Pada ruas trp-L

terdapat dua kodon yang berhubungan dengan asam amino triptofan yaitu kodon yang terletak pada basa

54 sampai 59. RNA yang dihasilkan dari proses transkripsi tersebut mulaidibaca oleh ribosom atau

ditranslasikan. Pergerakan ribosom dipengaruhi oleh ketersediaan amino-asil-tRNA. Pada saat kuantitas

triptofan dalam sel belum mencukupi tidak akan terbentuk triptofal-tRNA (amino-asil-tRNA untuk

triptofan) dan translasi ribosom akan berhenti pada kodon trp basa 54 sampai basa 59. Ketika jumlah

triptofan sudah mencukupi akan terbentuk triptofal-tRNA dan ribosom mentranslasikan kodon trp

tersebut sehingga translasi dapat dilanjutkan.

Trp-L terdiri atas 4 ruas yang homolog satu dengan yang lainnya sehingga mampu membentuk

pasangan. Ruas-3 dan ruas-4 merupakan terminator dari gen trp-L yang merupakan signal akhir

transkripsi, yang akan berakibat transkripsi berhenti. Terjadinya perpasangan 3-4dapat dicegah

seandainya ruas-3 berpasangan dengan ruas-2. Bila kuantitas triptofan di dalam sel belum mencukupi

maka tidak akan terbentuk triptofal-tRNA, sehingga ribosom akan berhenti pada basa 54-59, ruas-2 akan

terbebas dari ribosom sehingga dapat berpasangan dengan ruas-3.Bila triftofan dalam sel telah mencukupi

maka ribosom tidak akan berhenti pada basa 54-59,karena akan tersedia triptofal-tRNA. Kehadiran

ribosom pada ruas-2 maka ruas-3 akanberpasangan dengan ruas-4 membentuk pasangan 3-4. Dalam

kondisi ini maka transkripsi akanberakhir pada ujung trp-L atau transkripsi tidak dapat dilanjutkan.

PERTANYAAN DAN JAWABAN1. Apakah perbedaan antara kerja operon laktosa dan operon triptofan pada mekanisme

kerja gen organism prokariotik?Jawab: pada operon lactosa regulasi dilakukan pada tingkat inisiasi atau pada tingkatpromotor, sedangkan regulasi operon trp berlangsung pada tingkat RNA hasil transkripsi.Pada operon trp satu gen pengawal (trp-L) yang terletak tepat di belakang promotor, berfungsisebagai regulator. Inisiasi transkripsi, pada promotor, akan berjalan tanpa hambatan dan transkriptase masuk ke ruas trp-L.2.

 2. Mengapa dalam keadaan banyak laktosa, menyebabkan proses transkripsi dapat

dilanjutkandan menyebabkan terjadinya eksprei gen?Jawab: Kehadiran laktosa pada media tumbuh akan mendorong terjadinya ekspresi operonlaktosa atau terjadi sintesis ígalaktosidase. Berarti kehadiran laktosa harus mampumelepaskan protein regulator dari promotor agar terjadi ekspresi gen lac-Z, untuk menghasilkan ígalaktosidase. Dalam sistem regulasi ini laktosa yang diambil oleh bakteridapat berinteraksi dengan protein regulator dan asosiasi yang akan mengubah konfigurasimolekul protein regulator. Perubahan konfigurasi pada protein represor menyebabkan proteintersebut menjadi tidak mampu berasosiasi dengan operator. Dengan tidak adanya inhibitor pada promotor maka transkriptase menjadi tidak terhalang untuk melakukan inisiasitranskripsi, dan terjadi ekspresi gen-gen pada operon laktosa.3.

 3. Bagaimanakah mekanisme operon triptofan dalam menghalangi proses transkripsi

sehingga tidak terjadi mekanisme ekspresi gen?Jawab: Mekanisme penghentian transkripsi terjadi karena adanya struktur jepit rambut terminator yang diakibatkan oleh berikatnya ruas ke 3 dan ruas ke empat pada gen pengawal trp-L. Bila triftofan dalam sel telah mencukupi maka ribosom tidak akan berhentipada basa 54-59, karena akan tersedia triptofal-tRNA; ribosom akan bergerak masuk ke ruas-2. Terbebasnya ruas 3 dari ruas 2 akan menyebabkan berikatnya ruas 3 dan ruas ke 4 yang akhirnya terbentuk ikatan jepit rambut terminator dan menghalangi transkripsi pada genberikutnya.

4. Bagaimanakah elemen atau komposisi operon triptofan dalam mekanisme regulasi kerja gen prokariot?Jawab: Pada operon trp terdapat lima gen struktural yaitu trp-E, trp-D. trp-C, trp-B, dan trp-A, dansatu gen pengawal yaitu trp-L yang berfungsi dalam regulasi. Gen trp-E sampai trp-Akeseluruhannya menyandikan enzim yang berperan dalam satu lintasan metabolisme triptofan.Trp-L merupakan gen yang paling dekat pada promotor.