Operon adalah sekelompok gen yang diapit secara bersamaan oleh sepasang terminator

dan promotor. Operon merupakan sekelompok gen yang produk-produknya memiliki

fungsi-fungsi yang berhubungan dan ditranskripsi bersama-sama sebagai suatu kesatuan.

Daerah operon merupakan daerah yang berperan dalam regulasi ekspresi gen. Sistem

regulasi yang pertama diketahui adalah sistem regulasi operon laktosa pada bakteri E.

coli oleh Yacob dan Monod. E. coli mempunyai kekhasan dari prokariot yang lain.

Regulasi yang paling umum dilakukan oleh bakteri yaitu sistem operon lactosa (operon

lac) dan sistem operon tryptophan (operon trp).

Operan Lac

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 ß-galaktosidase.

Bakteri E. coli dalam hidupnya dapat memanfaatkan baik laktosa maupun glukosa

tergantung gula mana yang tersedia dilingkungan. Bakteri E. coli dimanfaatkan sebagai

sumber karbon maka bakteri tersebut akan mampu mempunyai kemampuan mensisntesis

ß-galaktosidase sehingga bila laktosa yang mengubah laktosa menjadi glukosa dan

galaktosa. Namun bila tersedia laktosa dan glukosa maka bakteri akan memilih glukosa

sebagai sumb er karbon, karena glukosa merupakan gula yang lebih langsung dimanfaat

dalam proses metabolisme.

Sistem regulasi ini merupakan sitem regulasi pada tingkat inisiasi transkripsi atau

regulasi pada tingkat promotor.

Dalam penjelasannya Jacob dan Monod memperkenalkan istilah operon yang mempunyai

pengertian sekelompok gen yang diapit secara bersamaan oleh sepasang promotor dan

terminator. Gen-gen pada satu operon akan diekspresikan secara bersamaan melalui

inisiasi transkripsi pada promotor 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 ß-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

promotor. Protein regulator tersebut akan menentukan inisiasi translasi yang dilakukan

oleh transkriptase. Protein pengatur dihasilkan oleh gen regulator, yaitu gen yang produk

ekspresinya berperan mengatur ekspresi gen lain. 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 dinamakan gen struktural, sebagai contoh gen lac Z, Lac Y, dan Lac A pada

operon laktosa. Jadi gen regulator berperan mengatur ekspresi gen struktural.

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 promotor yang

disebut operator. Penempelan itu terjadi karena ada kecocokan tertentu antara runtunan

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

wilayah operator maka transkriptase tidak dapat melakukan inisiasi translasi, sehingga

gen-gen yang terdapat di belakang promotor menjadi tidak terekspresi. Protein regulator

seperti di atas bersifat menghalangi atau menekan terjadinya transkripsi, maka disebut

inhibitor Lawan sifat dari represor disebut aktivator, yaitu yang bersifat mendorong

terjadinya ekspresi gen.

Kehadiran laktosa pada media tumbuh akan mendorong terjadinya ekspresi operon

laktosa atau terjadi sintesis ß-galaktosidase. Berarti kehadiran laktosa harus mampu

melepaskan protein regulator dari promotor agar terjadi ekspresi gen lac-Z, untuk

menghasilkan ß-galaktosidase. Dalam sistem regulasi ini laktosa yang diambil oleh

bakteri dapat berinteraksi dengan protein regulator dan asosiasi yang akan mengubah

konfigurasi molekul protein regulator. Perubahan konfigurasi pada protein represor

menyebabkan protein tersebut menjadi tidak mampu berasosiasi dengan operator. Dengan

tidak adanya inhibitor pada promotor maka transkriptase menjadi tidak terhalang untuk

melakukan inisiasi transkripsi dan terjadi ekspresi gen-gen pada operon laktosa.

Selain oleh kehadiran laktosa ekspresi operon Lac juga diatur oleh keberadaan glukosa.

Bila bakteri telah mengkonversi laktosa menjadi glukosa, dan bila kuantitas glukosa

sudah mencukupi maka ß-galaktosidase harus dihentikan sintesisnya. Regulasi oleh

glukosa ini disebut represi katabolit atau represi glukosa. Proses regulasi ini melibatkan

tiga komponen yaitu glukosa, cAMP (cyclic AMP), dan CAP (protein aktivator/

represor). CAP merupakan protein yang berperan mengaktifkan enzim transkriptase,

protein ini disandikan oleh gen regulator crp Asosisasi antara CAP dengan transkriptase

menyebabkan transkriptase menjadi aktif dan mampu mengkatalisis proses transkripsi;

tanpa CAP transkriptase menjadi tidak aktif.

Glukosa mengatur aktivitas CAP melalui pengaturan cAMP. Antara CAP dan cAMP

dapat terbentuk asosiasi, dan asosiasi ini akan menyebabkan CAP aktifberperan sebagai

aktivator; CAP yang terbebas dari cAMP tidak dapat berperan sebagai aktivator.

Kuantitas cAMP berbanding terbalik dengan kuantitas glukosa. Saat glukosa di dalam sel

berjumlah kecil cAMP ditemukan berada dalam jumlah yang besar, dan bila kuantitas

glukosa dalam sel meningkat maka cAMP akan menurun. Dalam keadaan kuantitas

rendah cAMP tidak dapat berasosiasi dengan CAP, akibatnya CAP tidak dapat menjadi

aktivator. Jadi pada saat glukosa rendah cAMP berada dalam jumlah besar dan

membentuk asosiasi cAMP-CAP yang berperan menjadi aktivator enzim transkriptase,

sehingga terjadi transkripsi operon laktosa. Ketika glukosa meningkat sampai jumlah

tertentu cAMP menurun sehingga tidak terbentuk asosiasi cAMP-CAP, dan CAP tidak

dapat berperan sebagai aktivator dan transkripsi operon laktosa tidak berlangsung.

Operon trp ( Trypthopan )

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.

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.

Pada saat triptofan tidak tersedia, atau hanya tersedia dalam jumlah sangat terbatas, gen

trpR hanya menghasilkan aporepresor yang tidak mampu menempel pada daerah operator

sehingga RNA polimerase dapat dengan mudah melakukan transkripsi gen-gen struktural

trpE, D, C, B dan A setelah melewati daerah attenuator. Sebaliknya, pada saat tersedia

triptofan dalam jumlah banyak, aporepresor yang dikode oleh trpR akan berikatan dengan

molekul triptofan (disebut sebagai ko-represor) sehingga terjadi perubahan struktural

pada protein aporepresor menjadi protein represor yang fungsional. Perubahan struktural

tersebut mengakibatkan represor dapat menempel pada daerah promotor operon trp

sehingga RNA polimerase tidak dapat melakukan transkripsi gen-gen struktural.

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.