Regulasi Operon Laktosa

Regulasi Operon lac

Laktosa  adalah  gula disakarida yang tersusun atas dua molekul gula sederhana yaitu glukosa dan galaktosa. Dalam proses metabolisme, Laktosa yang dibawa oleh enzim permease galaktosidase dapat diuraikan menjadi glukosa dan galaktosa dengan bantuan enzim β-galaktosidase. Secara skematis metabolisme laktosa dapat digambarkan sebagai berikut :

 

Gambar 5. Metabolisme laktosa menjadi glukosa dan galaktosa

Bakteri E-coli mempunyai kemampuan mensintesis enzim β-galaktosidase sehingga bila laktosa dimanfaatkan sebagai sumber karbon, maka bakteri tersebut dapat mengubah laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Namun bila tersedia laktosa dan glukosa, maka bakteri akan lebih memilih glukosa sebagai sumber karbon karena lebih mudah untuk dimanfaatkan dalam proses metabolisme. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa bakteri dapat mengatur gen penyandi β-galaktosidase sesuai dengan pilihan sumber karbonnya yaitu laktosa dan glukosa.

Pengaturan ekspresi gen ini disebut juga sistem regulasi ekspresi gen, dan sistem ini ditemukan pertama kali oleh Jacob dan Monod. Sistem regulasi yang mereka  temukan lebih sering dikenal dengan regulasi operon laktosa (regulasi operon lac). Sistem regulasi ini merupakan sistem regulasi pada tahap inisiasi transkripsi atau regulasi pada tingkat promotor. Dalam penjelasannya Jacob Monod memperkenalkan istilah operon. Pada operon laktosa terdapat tiga macam gen yaitu lac-Z, lac-Y dan lac-A. Ketiga gen ini masing-masing menyandikan β-galaktosidase, permease dan trans-asetilase. Regulasi operon laktosa dilakukan oleh suatu protein regulator yang akan berinteraksi dengan promoter. Protein regulator ini akan menentukan inisiasi translasi. Protein regulator dihasilkan oleh gen regulator. Dalam kasus operon laktosa terdapat dua gen regulator yaitu gen Lac-i dan gen crp. Gen Lac-i berhubungan dengan kehadiran laktosa sedangkan gen crp berhubungan dengan kehadiran glukosa. Gen yang diatur tersebut disebut dengan gen struktural.

           Sistem regulasi operon laktosa ada dua yaitu pengendali negatif dan pengendali positif. Pada pengendali negatif terbagi lagi atas dua yaitu represi ekspresi gen (tanpa laktosa) dan depresi ekspresi gen (ada laktosa).

Pengendalian Negatif Operon Lac

      Proses regulasi negatif operon laktosa, ada yang berlangsung dengan laktosa dan ada yang tanpa laktosa. Regulasi operon laktosa yang dilakukan tanpa laktosa disebut dengan represi ekspresi gen, sedangkan dengan laktosa disebut dengan depresi operon laktosa.  

    Berdasarkan gambar dapat dijelaskan bahwa represi ekspresi gen dilakukan oleh protein represor  yangdikode oleh gen LacI. Represor lacI merupakan suatu protein tetrametrik yang tersusun atas empat polipeptida yang identik. Secara umum represor lac digambarkan sebagai berikut:

 Represor ini menempel pada daerah operator (LacO) yang terletak di sebelah hilir promoter. Penempelan ini menyebabkan RNA polimerase tidak dapat melakukan transkripsi gen-gen struktural, yani : LacZ, LacY dan LacA sehingga dapat dikatakan operon laktosa mengalami represi. Proses represi ini akan terjadi secara terus-menerus selama tidak ada laktosa di dalam sel. Dengan demikian sel akan cenderung menggunakan sumber karbon yang sederhana terlebih dahulu , misalnya glukosa untuk memenuhi kebutuhan selulernya. Setelah tidak ada lagi glukosa dalam sel,  maka akan dicari sumber alternatif lainnya. Jika E.coli ditumbuhkan dalam medium glukosa dan laktosa, maka setelah glukosa benar-benar habis, maka laktosa akan melakukan metabolisme dengan cara mengaktifkan terlebih dahulu sistem operon laktosa.

2. Ada laktosa (depresi ekspresi gen)

            Pada depresi ekspresi gen, prosesnya diawali dengan pengaktifan operon laktosa. Proses pengaktifan operon laktosa disebut dengan proses induksi. Induksi operon laktosa dapat terjadi jika ada laktosa dalam sel. Laktosa yang ada di dalam medium pertumbuhan diangkut ke dalam sel dengan menggunakan enzim permease galaktosida. Operon laktosa tidak sepenuhnya ketat karena dalam sel selalu ada produk ekspresi operon meskipun pada aras paling dasar (basal level). Demikian pula halnya dengan enzim β-galaktosidase di dalam sel selalu ada dalam jumlah terbatas.  Meskipun belum ada induksi sepenuhnya. Hal ini dapat mengubah laktosa menjadi allolaktosa.

Allolaktosa merupakan suatu isomer  yang terbentuk dari laktosa, mendepresi operon dengan cara menginaktifkan represor. Allolaktosa inilah yang sesungguhnya menjadi induser untuk mengaktifkan operon laktosa. Allolaktosa kemudian menempel pada represor untuk kemudian represor tidak lagi menempel 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.

Pengendalian Positif Operon Lac

            Pengendalian gen diartikan positif hanya ketika suatu molekul aktivator berinteraksi langsung dengan genom untuk mengubah transkripsi ke keadaan on. Dalam sistem semacam ini operon lac diaktifkan kembali setelah sebelumnya ditekan (direpresi) sampai aras paling dasar. Pengendalian positif ini memberikan keuntungan bagi sel karena operon laktosa tetap dalam keadaan non-aktif selama masih tersedia glukosa dalam jumlah banyak. Dalam kasus operon lac, penghilangan represor dari operator tidak cukup untuk mengaktifkan operon tersebut sehingga dibutuhkan suatu sistem yang bekerja secara positif (mempercepat) pengaktifan operon. Represi katabolit merupakan kontrol positif pada operon lac.                 

Represi katabolit adalah kemampuan intermediet di dalam rangkaian reaksi katabolik yang dikatalis oleh enzim untuk merepresi sisntesis enzim katabolik. Efek ini pertama-tama terlihat pada E.coli yang sedang tumbuh pada media bersumber karbon bukan glukosa. Penambahan glukosa merepresi sintesis enzim yang berhubungan dengan katabolisme sumber karbon tersebut. Fenomena ini mula-mula dinamakan sebagai efek glukosa. Istilah represi katabolit digunakan karena nutrien non glukosa yang dapar dioksidasi juga menghasilkan efek serupa (Murray, 2004).

Represi katabolit pada operon lac dilakukan melalui protein regulator yang dikenal sebagai CAP (catabolite activator protein), dan suatu molekul efektor yaitu cAMP (Cyclic Adenin Monophosphate). Pada bakteri E.Coli konsentrasi cAMP yang disintesis oleh enzim adenil siklase, berkebalikan dengan konsentrasi glukosa dalam sel. Hal ini berarti jika konsentrasi glukosa rendah, maka konsentrasi cAMP meningkat. Pada saat konsentrasi cAMP meningkat, yaitu saat konsentrasi glukosa rendah, cAMP akan berikatan dengan CAP dan mengaktifkan operon lac.

               Pengikatan CAP-cAMP diduga dapat membantu pengikatan RNA polimerase pada promoter pada operon. Kompleks CAP-cAMP dan RNA polimerase yang saling bersentuhan disebabkan karena keduanya melekat pada sisi yang berdekatan di promoter. Kedekatan ikatan antara  CAP-cAMP dengan RNA polimerase menyebabkan ikatan RNA polimerase menjadi lebih kuat

       Berdasarkan reaksi dapat dijelaskan bahwa pengikatan CAP-cAMP pada promoter menyebabkan RNA polimerase dapat terikat pada promoter membentuk kompleks promoter tertutup yang selanjutnya akan menjadi kompleks promoter terbuka yang siap melakukan transkripsi. Pengikatan RNA polimerase tersebut dapat difasilitasi oleh CAP-cAMP melalui interaksi protein-protein, pembengkokan DNA atau keduanya.