Dalam bakteri cistron atau gen struktural, menghasilkan enzim dari jalur metabolik diatur dalam kelompok yang fungsinya terkait. Gen polikistronik prokariota bersama dengan gen pengaturnya membentuk sistem yang disebut operon. Operon adalah unit ekspresi dan regulasi.
1. Lactose Operon atau Operasi Lac:
adalah mekanisme kontrol negatif. Pada tahun 1961 Francois Jacob dan Jacques Monod mengusulkan model operon untuk pengaturan ekspresi gen dalam E. coli. Sintesis enzim (3-galaktosidase telah dipelajari secara rinci. Enzim ini menyebabkan pemecahan laktosa menjadi glukosa dan galaktosa.
Dengan tidak adanya laktosa, β-galactosidase hadir dalam jumlah yang dapat diabaikan. Segera setelah laktosa ditambahkan dari luar, produksi β-galactosidase meningkat seribu kali. Segera setelah laktosa di konsumsi, produksi enzim kembali turun. Enzim yang produksinya dapat ditingkatkan dengan kehadiran substrat yang bertindak disebut enzim yang dapat diinduksi.
Penambahan laktosa ke media kultur E. coli menginduksi pembentukan tiga enzim (5-galaktosidase, permease dan transasetilase, yang mendegradasi laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Gen-gen, yang mengkode enzim-enzim ini terletak dalam gugus dan disebut cistron atau gen struktural, mereka ditranskripsikan secara bersamaan ke dalam satu rantai mRNA, yang memiliki kodon untuk semua tiga enzim .MRNA yang ditranskripsi dari banyak gen disebut polikistronik.Fungsi gen struktural untuk menghasilkan mRNA dikendalikan oleh gen regulator.
Ada tiga gen struktural Z, Y dan A, yang kode untuk enzim p-galactosidase, lac permease dan transasetilase masing-masing. Gen regulator terdiri dari Regulator I, Promoter P dan gen kontrol yang disebut gen operator gen O. Regulator I menghasilkan protein yang disebut represor atau inhibitor. Repressor aktif dan berikatan dengan gen operator O dan mengaktifkannya “off” dan transkripsi dihentikan.
Hal ini terjadi karena enzim RNA polimerase yang mengikat promotor tidak dapat melakukannya karena situs pengikatan RNA polimerase dan tempat pengikatan represor pada operator saling tumpang tindih. Oleh karena itu dalam mekanisme kontrol negatif, gen aktif berubah “off” oleh protein represor.
Ketika induser (laktosa) dipasok dari luar, inducer mengikat represor. Laktosa saat memasuki bakteri berubah menjadi allolactase. Allolactose mengubah bentuk represor (perubahan konformasi) yang membuatnya tidak aktif dan tidak dapat mengikat ke operator. Operator menjadi gratis dan “dihidupkan” dan dengan demikian transkripsi dimulai.
Dengan cara ini, kehadiran induser memungkinkan transkripsi Lac operon, yang tidak lagi diblokir oleh protein represor. Sintesis enzim dalam menanggapi kehadiran substrat spesifik (laktosa) disebut induksi. Ini juga disebut de-represi.
Sistem yang diinduksi beroperasi dalam jalur katabolik. Dengan tidak adanya laktosa, sel E. coli memiliki rata-rata hanya tiga molekul enzim P-galactosidase per sel. Dalam 2-3 menit induksi laktosa, 3000 molekul P-galactosidase diproduksi di setiap sel.
2. Operasi Tryptophan:
Adalah sistem kontrol negatif tetapi membentuk jalur biosintetik. Ia dikenal sebagai sistem yang dapat direpresi. Ini bekerja pada prinsip bahwa ketika asam amino triptofan hadir, tidak perlu mengaktifkan operon triptofan.
Protein represor diaktifkan oleh co-represor (tryptophan-the end product) dan mengikat operator untuk mengubahnya “off”. Tryptophan disintesis dalam lima langkah, setiap langkah membutuhkan enzim tertentu. Gen-gen untuk pengkodean enzim-enzim ini terletak berdekatan satu sama lain, yang disebut trp E, trp D, trp C, trp B dan trp A.
Kode operon Tryptophan untuk lima enzim yang diperlukan untuk sintesis asam amino triptofan. Dalam sistem yang dapat direproduksi, gen regulator menghasilkan protein represor, yang biasanya tidak aktif dan tidak dapat mengikat ke operator pada DNA. Pengganti setelah bergabung dengan co-represor (yang merupakan produk akhir triptofan dalam kasus ini) mengalami perubahan konformasi yang mengaktifkannya dan memungkinkannya mengikat ke operator. Ini mencegah pengikatan enzim RNA polimerase ke promotor. Ini berlawanan dengan situasi lac operon di mana represor aktif sendiri dan kehilangan afinitas untuk operator ketika terikat pada inducer.
Di sini ketersediaan triptofan yang merupakan produk akhir mengatur ekspresi operon ini dan merepresi sintesis triptofan. Dengan cara ini sintesis enzim dari jalur metabolisme dihentikan oleh produk akhir dari rantai metabolik. Mekanisme ini memungkinkan bakteri mensintesis enzim hanya ketika dibutuhkan. Ini dikenal sebagai represi umpan balik.
Dalam umpan balik penghambatan produk akhir dari jalur metabolisme bertindak sebagai inhibitor alosterik dari enzim pertama dari rantai metabolik.
Induksi dan represi menghemat energi berharga dengan mencegah sintesis enzim yang tidak perlu.
Kontrol Positif dari Transkripsi:
Sistem pengaturan pada laktosa dan operon triptofan pada dasarnya adalah kontrol negatif dalam arti bahwa operon biasanya “on” tetapi disimpan “off” oleh protein pengatur. Dengan kata lain gen struktural tidak diizinkan untuk mengekspresikan kecuali diperlukan.