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.