Resume GenetikaJumat, 28 Agustus 2015

Auliyah Shofiyah / 130341614790Dinar Valentin DAMPP /

Penyesuaian hidup pada bakteri dan prokariot bergantung pada kemampuan untuk “menghidupkan” dan “mematikan” ekspresi gen spesifik sebagai respon terhadap lingkungan. Ekpresi gen tersebut akan aktif apabila produksi dari gen tersebut dibutuhkan untuk pertumbuhan dan ekspresinya akan tidak aktif jika produknya tidak dibutuhkan untuk pertumbuhan di lingkungan tersebut. Ekspresi gen dapat diregulasi pada beberapa tingkat seperti transkripsi, mRNA proses, mRNA turnover dan translasi. Regulasi transkripsi adalah model yang paling penting utnuk mengontrol ekspresi gen.

Mekanisme pengaturan dapat dikategorikan menjadi 2 macam. Yang pertama adalah hidup dan aktifnya ekspresi gen sebagai respon terhadap perubahan lingkungan. Yang kedua adalah pemrograman sirkuit ekspresi gen. Beberapa kejadian dapat memicu ekspresi suatu gen. Misalnya aktifnya set gen pertama dapat mengaktifkan gen kedua dan seterusnya.Induksi dan Represi pada Prokariot

Gen yang sangat penting, fungsional, dan esensial adalah tipe gen yang secara terus menerus diekpresikan pada sebagian besar sel sehingga gen-gen seperti tRNA molekul, rRNA molekul, protein ribosomal, RNA polimerase dan beberapa enzim katalis lain disebut constitusive genes. Beberapa gen lain hanya diproduksi dimana di lingkungan yang memebutuhkan ekspresi dari gen tersebut. Apabila produk gen tersebut tetap diprosuksi meskipun tidak dibutuhkan maka akan terjadi ketidak efisiensi dalam mekanisme kerja sel dan membuang energi sel secara percuma.

E coli diketahui mampu hidup di lingkungan dengan mediu karbohidrta. Jika tidak ada glukosa makan E coli dapat hidup dengan sumber karbohidrat yang lain. Misalnya E coli hidup di medium yang mengandung karbohidrat laktosa. Maka akan terjadi suatu mekanisme untuk menaktifkan enzim yang dapat merubah laktosa menjadi siap digunakan. Katabolisa laktosa akan aktif apabila terdapat laktosa dan akan non aktif jika tidak ada laktosa.

Pada lingkungan alamiah, E coli bisa jadi tidak mendapati glukosa dan terdapat banyak laktosa. Jika sel ditumbuhkan pada karbohidrat selain laktosa dan ditransfer pada medium yang mengandung laktosa, mereka dengan cepat melakukan sintesis enzim yang dibuthkan untuk menggunakan laktosa. Proses ini, dimana ekspresi gen aktif akibat respon substansi lingkungan maka disebut induksi. Gen yang diatur disebut gen terinduksi enzimnya disebut enzim terinduksi,. Substansi atau molekul yang bertanggung jawab terhadap induksi disebut inducer.

Enzim yang termasuk jalur katabolis (laktosa, galaktosa, arabinosa) muda terinduksi. Induksi terjadi pada level transkripsi. Bakteri memiliki kemampuan kapasitas paling itnggi untuk mensintesis molekul organik yang dibutuhkan untuk pertumbuhan. Misalnya E coli memiliki 5 gen koding untuk enzim yang dibutuhan untuk sintesis triptofan. Jika E coli ditempatkan pada medium yang tidak mengandung triptofan maka gen tersebut akan terekspresikan untuk memnuhi kebutuhan akan triptofan.

Jika E coli ditumbuhkan di media yang cukup triptofan maka produksi triptofan akan sia-sia karena sudah mendapatkan dari eksternals el. Proses untuk menonaktifkan ekspresi

yang sudah tejadi disebut represi. Ketika ekspresi tersebut kembali tersekspresi maka disebut derepressed. Enzim yang merupakan komponen anabolik seringkali menjadi subjek represi yang terjadi pada level transkripsi.

Gambar 1.a induksi sintesis enzim membutuhkan gula laktosa sebagai sumber energi E coli.ketika laktosa tidak ada, sel mensintesis mensintesis banyak pemanfaatan laktosa. Ketika sel ditransfer ke lingkungan yang mengandung laktosa, maka sintesis enzim yang membeutuhkan laktosa dengan cepat akan terinduksi. (b) ketika triptofan tidak ada di lingkungan, E coli mensintesis enzim yang dibutuhkan untuk biosintesis triptofan. Ketika triptofan ditambhkan maka biosintesis enzim akan dengan cepat tidak aktif.

Model OperonModel operon menjelaskan regulasi dari pengkodena gen yang dibutuhkan untuk

penggunanaan laktosa. Transkripsi dari satu atau set dari gen struktural yang berdampingan diregulasi oleh 2 elemen pengontrol. Elemen pertama yang disebut gen regulator (gen represor) mengkode protein yang disebut represor dibawah kondisi yang cocok. Represor ini mengikat pada elemen kedua yaitu operator (sekuen operator). Operator selalu terletak bersebalahan dengan gen struktual atau gen yang ekspresinya sedang diatur. Ketika represor terikat pada operator, transkrispsi gen struktural tidak dapat terjadi. Hal ini dikarenakan pengikatan represor pada operator menghalangi RNA polimerase dari pengikatan promotor site yang terletak bersebalahan dengan sekuen operator. Operator terletak bersebalahan dengan promotor dan gen struktural. Unit lengkap yang bersebalahan, termasuk gen struktural, operator dan promoternya disebut sebagai operon. Peristiwa ini bergantung pada kehadiran atau ketidakhadiran suatu molekul efektor yang disebut sebagai inducersmolekul efektor (inducer dan co-represor) berlaku sebagai pengikat pada represor.

Pada kasus operon terinduksi, represor bebas terikat pada operator, menonaktifkan transkripsi. Ketika molekul efektor (inducer) hadir, maka akan terikat pada represor, melepaskan represor dari operator. Sehingga penambahan inducer dapat mengaktifkan transkripsi.

Pada kasus represibel operon. Represor bebas tidak daapt mengikat pada operator. Hanya repressor-molekul efektor (co represor) kompleks aktif terikat pada operaot. Sehingga transkripso dari struktural gen pada operon represibble dapat aktif jika tidak ada, dan akan non aktif jika ada co repressor.

Karena produk dari gen regulator yaitu represor, dapat menonaktifkan transkripsi dari gen struktural, operon meodel. Hal ini disebut sistem kontrol negatif. Pada kontrol positif, produk dari gen pengatur dibutuhkan untuk mengaktifkan transkripsi.

Gambar 2. Operon model terdiri dari 1 atau lebih gen struktural (SG1, SG2 dan SG3), operator, dan sekuen promoter. Promoter operon (PO) adalah tempat dimana RNA polimerase akan terikat untuk mengawali transkripsipada gen struktural. Operator (O) adalah tempat dimana protein represor (produk dari gen represor) akan terikat.

Gambar 3. Model dari operon induksi. Produk dari gen regulator gen (R), represor, ketika tidak ada molekul efektor yang disebut inducer, terikat pada operator. Mencegah RNA polimerase dari pengikatan ke promotor operon. Sehingga transkripsi tidak dapat terjadi. Ketika indukser ditambahkan, akan terikat pada represor, sehingga melepaskan operator (O). Sehingga membiarkan RNA polimerase terikat pada gen struktural.

Gambar 4. Model regulasi ekspresi gen untuk represible operon. Represorhanya terikat pada operator ketika ada molekul efektor (co-repressor) ketika tidak ada, operator bebas, membiarkan RNA polimerase untuk terikat pada promoter dan menginisiasi transkripsi. Ketika co-represor ditambhkan, akan membentuk kompleks dengan operator sehingga mencegah pengikatan pada PO dan mentranskrib 3 gen struktural.

lac, Operon InduksiLac operon mengandung promoter, operator dan 3 struktural gen yaitu z, y, dan a,

yang mengkode untuk enzim b-galaktosidase, b-galaktosidase permease, dan b-galaktosidase transetilase. Gen regulasi lac, mengatur gen i yang mengkode reppresor yang mengandung 360 asam amino. Bentuk atif dari lac repressor adala tetramer yang mengandung 4 kopi dari gen i. Ketidakhadiran induser menyebabkan represor terikat pada sekuen lac operator, mencegah RNA polimerasi dari pengikatan dengan promoter dan mentranskrip gen struktural. Sedikit gen z, y, dan a disintesis pada keadaan tidak terinduksi, sehingga terjadi aktivitas enzim tingkat rendah. Aktivitas ini penting untuk induksi lac operon, karena

Iinducer operon, allolactose, dihadirkan dari reaksi laktosa yang dikatalis oleh b-galaktosidase. Sekali dibentuk, allolaktose terikat pada represor menyebaban ikatan tersebut dilepaskan dari operator sehingga menyebabka induces transkripsi pada z, y, a dan gen struktural.

Gambar. Lac operon pada E coli, operon inducible. Lac operon terdiri dari 3 gen struktural yaitu z, y, dan a dan promoter (P) dan operator ()) pada gen z. Gen pengatur i bersebelahan dengan operon. Regulator gen memiliki promoternya sendiri (P(i))

Gambar. 2 bentuk fisiologis reaksi penting yang dikatalis b-galaktosidse 1. Perubahan dari laktosa ke lac operon dan 2 pembelahan lactosa untuk memproduksi monosakarida glukosa dan galaktosa.

Gen lac i, operator, dan promoter awalnya diidentifikasi menyumbangkan unit genetik. Mutasi dengan gen i dan operator menghaslkan sintesis yang berkelanjutan dari pemanfaatan enzim laktosa. Enzim tersebut adalah i- dan oc. I- dan oc bisa dibedakan tidak hanya pada posisi map tapi juga perilaku F’ merozoit yang terletak pada konfigurasi cis dan trans.

Wild type alel (z , y , dan a), dari tiga gen struktural dominan untuk alel mereka mutan (z , y , dan a). Dominasi ini diharapkan karena wild type alel menghasilkan enzim fungsional, sedangkan alel mutan tidak menghasilkan enzim atau rusak (tidak aktif) enzim. Diploid parsial genotipe juga diinduksi untuk sintesis tiga enzim spesifik oleh operon lac.

Operator konstitutif (Oc) mutasi hanya bertindak cis; yaitu, Oc mutasi mempengaruhi ekspresi gen struktural hanya mereka yang terletak di kromosom yang sama. Sifat cis dari O mutasi adalah logis diberikan fungsi operator. O mutasi seharusnya tidak bertindak di trans jika operator adalah situs pengikatan untuk represor; dengan demikian, operator tidak menyandikan produk, diffusible atau sebaliknya.

Lac promoter mengandung 2 fungsi komponen 1) RNA polimerase pengikatan dan 2) tempat pengikatan untuk protein lain disebut catabolis protein aktivator. Trp, Operon Represible

Trp operon adalah produk dari trpR gen yang tidak berhubungan dengan operon trp. Absennya triptofan (co-repressor) menyebabkan RNA polimerase terikat pada promoter dan mentranskrib gen struktural operon. Hadirnya triptofan, co-repressor/repressor terikat pada

operator dan mencegah pengikatan RNA polimerasi pada promoter. Transkripsi trp operon pada keadaan depressed (ketidak hadiran triptofan) 70 kali dibanding hadirnya triptofan.

Gambar. Organisasi triptofan operon pada E coli. Operon mengandung 5 gen struktura; yang mengkode enzim yang tergabung dalam biosintesis triptofan. trpR gen yang mengkode trp repressor tidak berhubungan dengan trp operon. Operator pada trp operon berada di promary promoter (p1). Terdapat 2 transkripsi terminasi yaitu t dan t’.

Positif Kontrol lac Operon oleh CAP dan Cyclic AMPAda fenomena yang disebut represi katabolit (efek glukosa) yang menyusun bahwa

glukosa akan dimetabolis ketika ada sehingga lebih efisien energi. Adanya glukosa dapat mencegah induksi lac operon. Represi katabolit dari lac operon memdiasi kontrol positif transkripsi dengan proteinpengatur yang disebut CAP dan molekul effektor kecil yang dsebut AMP siklis. CAP= cyclic AMP protein). Lac promoter mengontrol 2 pemisahan yaitu 1 untuk RNA polimerase dan 1 untuk CAP-cAMP kompleks.

Gambar. Sintesis katalis adenilsiklase AMP siklis dari ATP

Hanya kompleks CAP-cAMP yang terikat pada lac promoter; pada ketidakhadiran cAMP, CAP tidak dapat terikat. cAMP bertindak sebagai molekul efektor, menentukan efek adri CAP pada transkripsi lac operon. Konsentrasi cAMP intraseluler bergantung ada glukosa. Konsentrasi tinggi dapat menyebabkan menurun dengan tajam konsentrasi cAMP. Glukosa atau metabolit lain dapat menghambat aktivitas adenilsiklase, enzim yang membentuk cAMP dari ATP. Ketika konsentrasi cAMP turun, CAP tidak dapat mengikat pada lac promoter .

Bagaimana perbedaan operon inducer dan operon represibel?Pada kasus operon terinduksi, represor bebas terikat pada operator, menonaktifkan

transkripsi. Ketika molekul efektor (inducer) hadir, maka akan terikat pada represor, melepaskan represor dari operator. Sehingga penambahan inducer dapat mengaktifkan transkripsi.

Pada kasus represibel operon. Represor bebas tidak daapt mengikat pada operator. Hanya repressor-molekul efektor (co represor) kompleks aktif terikat pada operaot. Sehingga transkripso dari struktural gen pada operon represibble dapat aktif jika tidak ada, dan akan non aktif jika ada co repressor.