Tugas Genetika II 1 (resume lac Operon)Denny Fahrudin Mardiansyah (120342422502)Soyadesita (120342422490)

Lac, Sebuah Operon yang diinduksiJacob dan Monod mengajukan model operon sebagai hasil dari studi mereka yaitu operon lac dari E. Coli. Operon lac mengandung:- promotor- operator- dan tiga gen struktural, yaitu z, y dan aTiga gen struktural masing-masing mengkode enzim yang berbeda,- gen struktural z mengkode enzim -galaktosidase, berfungsi memotong laktosa menjadi glukosa dan galaktosa- gen struktural y mengkode enzim -galaktosidase permease, berfungsi memompa laktosa ke dalam sel- gen struktural a mengkode enzim -galaktosidase transasetilase, fungsinya masih belum jelas.

Gambar 1. Operon lac E. Coli, sebuah Operon yang diinduksi. Operon lac terdiri dari tiga gen struktural, z, y, dan a, Ditambah promotor (P) dan operator (O) daerah sebelah gen z. Gen regulator (i) berdekatan dengan operon dalam kasus lac. Gen pengatur operon lain sering terletak pada jarak yang cukup dari operon. (Perhatikan bahwa gen regulator biasanya tidak dianggap sebagai bagian dari operon yang tepat, yang terdiri dari gen-gen struktural ditambah promotor dan operator mereka). Gen regulator memiliki promotor sendiri (P(i)). Angka-angka di bawah berbagai gen menunjukkan panjang perkiraan mereka dalam pasangan nukleotida. Urutan nukleotida untuk P (i), P, dan O telah diketahui.

Gambar 2. Dua reaksi fisiologis penting yang dikatalisis oleh -galaktosidase. 1) konversi dari lac operon penginduksi allolaktosa dan 2) pemecahan laktosa untuk menghasilkan monosakarida glukosa dan galaktosa.Bentuk aktif dari represor lac, adalah tetramer yang berisi empat salinan produk gen i. Mutasi dalam gen i dan operator sering mengakibatkan sintesis konstitutif dari enzim laktosa-utilizing. Mutasi ini masing-masing ditujukan i- dan oc. Merozigot F yang memiliki genotipe i+ o+ z+ y+ a+ / i- o+ z+ y+ a+ juga diinduksi untuk sintesis dari tiga enzim yang ditentukan oleh operon lac. Dengan demikian i+ dominan untuk i- seperti yang diharapkan, karena i+ menentukan sebuah protein aktif (molekul represor) dan i- menghasilkan protein yang tidak aktif. Merozigot yang memiliki genotipe F i+ o+ z+ y+ a+ / i- o+ z- y- a- atau genotipe F i+ o+ z- y- a- / i- o+ z+ y+ a+ dapat diinduksi oleh -galactoside transasetilase, seperti sel wild-type. Hal ini menunjukkan bahwa kode gen i untuk produk yang dapat berdifusi, karena mempengaruhi ekspresi struktural lokasi. Sebuah merozigot, dari genotipe F i+ oc z- y- a- / i+ o+ z+ y+ a+ diinduksi untuk tiga enzim spesifik oleh gen struktural dari operon lac, sedangkan merozigot genotipe F i+ oc z+ y+ a+ / i+ o+ z- y- a- mensintesis enzim ini secara konstitutif. Beberapa mutasi gen i, yang ditunjuk dengan i-d dominan terhadap alel wild type (i+). Dominasi ini ternyata hasil dari ketidakmampuan heteromultimers (fungsi lac represor sebagai tetramer), yang mengandung kedua wild type dan mutan polipeptida, untuk mengikat urutan operator. Mutasi gen i lainnya, ditunjuk dengan i-s menyebabkan operon lac menjadi tidak dapat terinduksi. I-s mutasi memodifikasi sisi ikatan penginduksi dari represor lac. Mutasi promotor tidak mengubah kemampuan menginduksi dari operon lac, tetapi sebaliknya yaitu memodifikasi tingkat ekspresi gen di daerah terinduksi dan tidak terinduksi dengan mengubah frekuensi inisiasi transkripsi operon lac. Promotor lac sebenarnya mengandung dua komponen fungsional yang berbeda: (1) sisi pengikatan RNA polimerase dan (2) sisi pengikatan protein lain, protein aktivator yang disebut katabolit (disingkat CAP), yang berfungsi sedemikian rupa sehingga operon lac tidak tercatat dalam glukose pada konsentrasi yang cukup untuk mendukung pertumbuhan optimal.

Trp, sebuah Penahan OperonOperon trp (triptofan) E. coli mungkin adalah operon penahan paling terkenal. Charles Yanofsky dan rekannya telah menganalisis secara rinci organisasi dari lima gen struktural dan urutan peraturan yang berdekatan dari trp operon (Gambar 3). Trp operon represor adalah produk dari gen trpR, yang tidak terkait erat dengan trp operon (Gambar 3).

Gambar 3Dengan tidak adanya tryptophan (co-represor/penahan), RNA polimerase berikatan dengan daerah promoter dan mentranskripsi gen struktural operon. Dengan adanya triptofan, co-represor(penahan) / represor(penahan) kompleks mengikat wilayah operator dan mencegah pengikatan RNA polimerase ke promotor. Urutan operator operon trp terletak sepenuhnya di dalam daerah promoter (Gambar 3). Tingkat transkripsi operon trp di dareah tidak ada penahan (tidak adanya triptofan) adalah 70 kali yang terjadi di daerah yang ditahan (terdapat triptofan). Dalam trpR mutan yang tidak dapat membuat penahan, laju sintesis enzim biosintesis triptofan masih berkurang sekitar 10 kali lipat dengan penambahan triptofan ke media. Penurunan ini disebabkan oleh tingkat kedua regulasi ekspresi operon trp disebut atenuasi(pelemahan). Pelemahan terjadi dengan pemutusan triptofan transkripsi di trpL (pemimpin mRNA) wilayah operon.

Kontrol Positif pada lac Operon menggunakan CAP dan cAMPPemodelan Operan diusulkan oleh Jacob dan Monod untuk menjelaskan induksi biosintesis dari enzim yang terlibat dalam pemanfaatan laktosa ketika ditambahkan dalam medium E. coli yang sedang ditumbuhkan. Adanya glukosa diketahui dapat mencegah terjadinya induksi lac Operon begitu juga pada operon lain yang mengendalikan enzim yang terlibat dalam katabolisme karbohidrat. Fenomena tersebut disebut represi katabolit (atau efek glukosa) seakan-akan berkembang dalam memastikan adanya glukosa, ketika pilihan lain kurang efisien sebagai sumber energi.Represi katabolit juga diketahui bahwa diperantarai oleh control positif transkripsi dengan protein regulator yang disebut CAP (atau protein activator katabolit) dan molekul efektor kecil yang disebut cAMP (siklik AMP). Promoter lac terdiri dari dua tempat rangkaian, rangkaian pertama ditempati oleh RNA polymerase dan rangkaian kedua ditempati oleh kompleks CAP-cAMP. Kompleks CAP-cAMP ini harus terangkai ke tempatnya pada lac promoter agar operon terinduksi. Kompleks itulah yang memiliki kendali positif terhadap transkripsi dari lac operon. Efeknya berbeda (antagonis) dari repressor yang berikatan dengan operator.Hanya kompleks CAP-cAMP yang mampu berikatan ke promoter lac, apabila tidak terdapat cAMP maka CAP tidak bias berikatan ke lac operon. Maka dari itu cAMP disebut sebagai molekul efektor yang menentukan efek dari CAP pada transkripsi lac operon. Konsentrasi cAMP di dalam sel juga sensitive terhadap keberadaan glukosa. Apabila konsentrasi glukosa intraseluler tinggi maka jumlah cAMP berkurang. Hal tersebut terjadi kemungkinan dikarenakan glukosa atau metabolit lain bekerja menghambat aktivitas adenylcyclase yang mengkatalis pembentukan cAMP dari ATP. Tidak adanya atau terlalu sedikitnya jumlah cAMP berdampak pada CAP sehingga tidak bias berikatan dengan promoter lac operon. Selanjutnya, RNA polymerase tidak akan berikatan dengan promoter lac operon.

Pertanyaan dan Jawaban1. Mengapa mutasi gen i-s menyebabkan operon lac menjadi tidak dapat terinduksi?

Jawaban: Mutasi gen i-s menyebabkan operon lac menjadi tidak dapat terinduksi karena ketika dipelajari secara in vitro ternyata mutan i-s polipeptida berbentuk tetramers yang mengikat DNA operator lac, tidak mengikat penginduksi atau menunjukkan afinitas yang sangat rendah untuk penginduksi. Oleh karena itu, mutasi i-s memodifikasi sisi ikatan penginduksi dari represor lac. i-s biasanya dapat diinduksi untuk beberapa derajat dengan menggunakan konsentrasi yang sangat tinggi dari penginduksi dan tidak dapat diinduksi pada konsentrasi penginduksi normal.

2. Bagaimana perbedaan adanya penahan yaitu trp (tryptophan) dan tidak adanya trp?

Jawaban:Dengan tidak adanya tryptophan (co-represor/penahan), RNA polimerase berikatan dengan daerah promoter dan mentranskripsi gen struktural operon Tingkat transkripsi operon trp di daeah tidak ada penahan (tidak adanya triptofan) adalah 70 kali yang terjadi di daerah yang ditahan (terdapat triptofan). Sedangkan dengan adanya triptofan, co-represor(penahan) kompleks mengikat wilayah operator dan mencegah pengikatan RNA polimerase ke promotor.

3. Mengapa lac operon tidak terinduksi ketika jumlah glukosa intrasel meningkat?Jawaban:Pada saat jumlah glukosa meningkat, molekul glukosa akan menghambat kerja dari enzim adenylcyclase untuk mengubah ATP menjadi cAMP sehingga jumlah cAMP menurun. Menurunnya jumlah cAMP menyebabkan CAP tidak mampu berikatan ke sisi promoter lac operon, dan juga tidak terbentuknya kompleks CAP-cAMP. Hal tersebut akhirnya menyebabkan RNA polymerase tidak mampu berikatan dengan sisi promoter lac operon sehingga lac operon pun tidak terinduksi.