Operon Lac-trp Prokariot.docx

Operon: Unit Ekspresi Gen yang Diatur Secara Regulasi Pada prokariota, gen dengan fungsi terkait sering hadir dalam unit genetik yang diatur secara terkoordinasi yang disebut operon.

Salah satu elemen, gen penekan, mengkodekan penekan, yang (di bawah kondisi yang sesuai) mengikat elemen kedua, operator.

Transkripsi dimulai pada promotor yang terletak di hulu (5) dari daerah pengkodean gen struktural. Ketika represor terikat pada operator, sterik mencegah RNA polimerase mentranskripsikan gen struktural dalam operon. Wilayah operator berdekatan dengan wilayah promotor; kadang-kadang operator dan promotor bahkan tumpang tindih, berbagi urutan DNA pendek. Wilayah operator sering terletak di antara promotor dan gen struktural yang mereka atur. Unit bersebelahan yang lengkap, termasuk gen struktural, operator, dan promotor, disebut operon

Apakah represor akan mengikat operator dan mematikan transkripsi gen struktural dalam operon ditentukan oleh ada atau tidak adanya molekul efektor seperti yang dibahas pada bagian sebelumnya. Operon yang dapat diinduksi dan operon yang dapat ditekan dapat dibedakan satu sama lain dengan menentukan apakah represor telanjang atau kompleks molekul represor / efektor aktif dalam pengikatan ke operator.

1. Dalam kasus operon yang diinduksi, represor bebas mengikat operator, mematikan transkripsi (Gambar 18.4b). 2. Dalam kasus operon yang menekan, situasinya terbalik. Represor gratis tidak dapat mengikat ke operator. Hanya kompleks molekul represor / efektor (ko-represor) yang aktif dalam pengikatan ke operator (Gambar 18.4c)

Kecuali untuk perbedaan ini dalam perilaku pengikat operator dari represor bebas dan kompleks molekul represor / efektor, operon yang diinduksi dan ditekan adalah identik.

Transkrip mRNA tunggal membawa informasi pengkodean seluruh operon. Dengan demikian, mRNA operon yang terdiri dari lebih dari satu gen struktural bersifat multigenik. Sebagai contoh, mRNA operan tryptophan dari E. coli berisi urutan pengkodean dari lima gen yang berbeda. Karena mereka ditranskripsi bersama, semua gen struktural dalam operon diekspresikan secara terkoordinasi.

Meskipun jumlah molar dari produk gen yang berbeda tidak perlu sama (karena efisiensi yang berbeda dari inisiasi terjemahan), jumlah relatif dari polipeptida berbeda yang

ditentukan oleh gen dalam operon biasanya tetap sama, terlepas dari keadaan induksi atau represi. Dalam beberapa kasus, perbedaan penggunaan sinyal terminasi transkripsi dapat mengubah jumlah produk gen yang disintesis.

Pada bakteri, gen dengan fungsi terkait sering terjadi dalam unit yang diatur secara terkoordinasi yang disebut operon. Setiap operon berisi satu set gen struktural yang berdekatan, promotor (situs pengikatan untuk RNA polimerase), dan operator (situs pengikatan untuk protein regulator yang disebut represor). Ketika sebuah represor terikat pada operator, RNA polimerase tidak dapat mentranskripsi gen struktural dalam operon. Ketika operator bebas dari represor, RNA polimerase dapat menyalin operon.

LAC Oper lac adalah operon yang diinduksi yang dikendalikan secara negatif; gen lacZ, lacY, dan lacA diekspresikan hanya di hadapan laktosa. Gen pengatur lac, yang disebut gen I, mengkodekan suatu represor yang panjangnya 360 asam amino. Namun, bentuk aktif dari penekan lac adalah tetramer yang mengandung empat salinan produk gen I. Dengan tidak adanya induser, represor berikatan dengan operator lac, yang pada gilirannya mencegah RNA polimerase dari mengkatalisis transkripsi tiga gen struktural (lihat Gambar 18.4b). (Catatan: hanya operator asli (O1) yang ditemukan oleh Jacob dan Monod ditunjukkan pada Gambar 18.4, 18.7, dan 18.8.) Beberapa molekul produk gen lacZ, lacY, dan lacA disintesis dalam keadaan tidak diinduksi, memberikan tingkat rendah tingkat latar belakang aktivitas enzim. Aktivitas latar belakang ini sangat penting untuk induksi operon lac karena induser operon, allolaktosa, berasal dari laktosa dalam reaksi yang dikatalisis oleh-galactosidase (Gambar 18.6). Setelah terbentuk, allolactose diikat oleh represor, menyebabkan pelepasan represor dari operator. Dengan cara ini, allolactose menginduksi transkripsi gen struktural lacZ, lacY, dan lacA (lihat Gambar 18.4b) Gen lacI, operator lac O1, dan promotor lac semua awalnya diidentifikasi secara genetik dengan isolasi strain mutan yang menunjukkan ekspresi yang berubah dari gen operon lac. Mutasi pada gen I dan operator sering menghasilkan sintesis konstitutif dari produk gen lac. Mutasi-mutasi ini masing-masing dinamai I dan Oc. Mutasi konstitutif I dan Oc dapat dibedakan tidak hanya oleh posisi peta, tetapi juga oleh perilaku mereka dalam diploid parsial di mana mereka berada dalam konfigurasi cis dan trans relatif terhadap mutasi pada gen struktural lac (Tabel 18.1). Ingatlah bahwa diploid parsial dapat dibangun menggunakan faktor kesuburan (F) yang membawa gen kromosom — faktor F (Bab 8). Faktor F yang membawa operon lac telah digunakan untuk mempelajari interaksi antara berbagai komponen operon.

Promotor lac sebenarnya mengandung dua komponen terpisah: (1) situs pengikatan RNA polimerase dan (2) situs pengikatan untuk protein lain yang disebut protein aktivator katabolit (disingkat CAP) yang mencegah operasi lac diinduksi dengan adanya glukosa. Sirkuit kontrol kedua ini, yang kami pertimbangkan selanjutnya, memastikan pemanfaatan glukosa sebagai sumber energi preferensial ketika tersedia. REPRESI KATABOLIT Kehadiran glukosa telah lama dikenal untuk mencegah induksi operon lac, serta operon lain yang mengendalikan enzim yang terlibat dalam katabolisme karbohidrat. Fenomena ini, yang disebut represi katabolit (atau efek glukosa), memastikan bahwa glukosa dimetabolisme saat ini, lebih disukai sumber energi lain yang kurang efisien.

rangkuman E. coli lac operon adalah sistem yang dapat diinduksi dan katabolit yang negatif; tiga gen struktural dalam operon lak ditranskrip pada level tinggi hanya dengan adanya laktosa dan tidak adanya glukosa. Dengan tidak adanya laktosa, represor lac berikatan dengan operator lac dan mencegah RNA polimerase dari memulai transkripsi operon. Represi katabolit menjaga operon seperti enzim pengkodean lac yang terlibat dalam katabolisme karbohidrat tidak diinduksi dengan adanya glukosa, sumber energi yang disukai. Pengikatan kompleks CAP / cAMP ke situs pengikatannya di promotor lac membengkokkan DNA dan membuatnya lebih mudah diakses oleh RNA polimerase. Penekan lac berikatan dengan dua operator — baik O1 dan O2 atau O1 dan O3 — secara bersamaan dan membengkokkan DNA ke jepit rambut atau loop, masing-masing.

Operon TRP

Oper trp dari E. coli mengontrol sintesis enzim yang mengkatalisis biosintesis asam amino triptofan. Fungsi dari lima gen struktural dan sekuens pengatur yang berdekatan dari operon trp telah dianalisis secara rinci oleh Charles Yanofsky dan rekan. Lima gen struktural menyandikan enzim yang mengubah asam korion menjadi triptofan. Ekspresi operon trp diatur pada dua tingkat: represi, yang mengontrol inisiasi transkripsi, dan atenuasi, yang mengatur frekuensi terminasi transkrip prematur. Kami akan membahas mekanisme pengaturan ini dalam dua bagian berikut. Gen struktural dalam operon triptofan ditranskrip hanya ketika triptofan tidak ada atau hadir dalam konsentrasi rendah. Ekspresi gen dalam operon trp diatur oleh represi inisiasi transkripsional dan oleh pelemahan (penghentian prematur) transkripsi ketika triptofan lazim di lingkungan.

Represi

Oper trp dari E. coli adalah operon negatif yang dapat ditekan. Organisasi dari operon trp dan jalur biosintesis triptofan ditunjukkan pada Gambar 18.13. Gen trpR, yang menyandikan trp represor, tidak terkait erat dengan operon trp. Wilayah operator (O) dari operon trp terletak di dalam wilayah promotor utama (P1). Ada juga promotor yang lemah (P2) pada ujung gen trpD operator-distal. Promotor P2 meningkatkan level dasar transkripsi gen trpC, trpB, dan trpA. Dua urutan terminasi transkripsi (t dan t) terletak di hilir dari trpA. Wilayah trpL menentukan urutan pemimpin mRNA 162-nukleotida-panjang.

Regulasi transkripsi operasi trp digambarkan dalam Gambar 18.4c. Dengan tidak adanya triptofan (co-represor), RNA polimerase berikatan dengan daerah promotor dan mentranskripsikan gen struktural operon. Di hadapan triptofan, kompleks co-repressor / repressor berikatan dengan wilayah operator dan mencegah RNA polimerase dari memulai transkripsi gen dalam operon

Laju transkripsi operasi trp dalam keadaan derepresi (tidak adanya triptofan) adalah 70 kali laju yang terjadi dalam keadaan tertekan (keberadaan triptofan). Pada mutan trpR, yang tidak memiliki penekan fungsional, laju sintesis enzim biosintetik triptofan masih berkurang sekitar sepuluh kali lipat dengan penambahan triptofan ke dalam medium. Pengurangan tambahan dalam ekspresi trp operon ini disebabkan oleh atenuasi, yang akan dibahas selanjutnya.

Rangkuman

E. coli trp operon adalah sistem negatif yang dapat ditekan; transkripsi lima gen struktural dalam operon trp ditekan di hadapan konsentrasi triptofan yang signifikan. Operon seperti trp yang menyandikan enzim yang terlibat dalam jalur biosintesis asam amino sering dikendalikan oleh mekanisme pengaturan kedua yang disebut atenuasi. Redaman terjadi oleh penghentian prematur transkripsi di situs dalam urutan pemimpin mRNA (urutan 5 ke wilayah pengkodean) ketika triptofan lazim di lingkungan di mana bakteri tumbuh.

ATENUASI