Regulasi Genetik Bakteri: Operon Secara Molekuler

Regulasi genetik pada bakteri adalah mekanisme fundamental yang memungkinkan adaptasi cepat terhadap perubahan ketersediaan nutrisi. Mekanisme ini beroperasi terutama pada tingkat transkripsi.

1. Komponen Utama Operon

Sebuah operon adalah unit transkripsi prokariotik yang terorganisir. Komponen-komponennya berurutan pada DNA:

Komponen	Deskripsi Molekuler Rinci	Fungsi Utama
P (Promotor)	Urutan DNA spesifik tempat RNA Polimerase menempel dan memulai transkripsi. Mencakup urutan -35 dan -10 (Pribnow box) yang penting untuk pengikatan sigma faktor.	Titik Awal Transkripsi.
O (Operator)	Segmen DNA pendek yang terletak di antara promotor dan gen struktural.	Titik pengikatan bagi protein Regulator (Represor).
Gen Struktural	Satu atau lebih gen yang mengkode enzim atau protein yang memiliki fungsi terkait dalam jalur metabolisme.	Mengkode produk fungsional.
Gen Regulator ($I$)	Gen yang berada di luar operon, mengkode protein Represor atau Aktivator.	Mengatur Operon dengan mengkode protein regulator.

2. Operon lac (Inducible): Kontrol Negatif dan Positif

Operon lac mengendalikan metabolisme laktosa. Gen strukturalnya adalah $lacZ$, $lacY$, dan $lacA$, yang mengkode enzim untuk mengangkut dan memecah laktosa. Kontrolnya melibatkan dua mekanisme regulasi yang independen:

A. Kontrol Negatif (Represi oleh Represor $lac$)

Ini adalah mekanisme pengikatan langsung protein represor ke operator.

• Gen $lacI$: Mengkode protein Represor $lac$.
• Default State (Laktosa Absen): Represor $lac$ secara aktif mengikat Operator ($O$). Pengikatan represor ini secara fisik menghalangi RNA Polimerase untuk bergerak melewati promotor ke gen struktural. Transkripsi mati.
• Terinduksi (Laktosa Hadir): Ketika laktosa hadir, sebagian kecilnya diubah menjadi Allolaktosa (induktor). Allolaktosa berikatan dengan Represor $lac$, menyebabkan perubahan alosterik (perubahan bentuk 3D). Represor yang diubah ini tidak dapat berikatan dengan operator, memungkinkan transkripsi terjadi.

B. Kontrol Positif (Aktivasi oleh CAP)

Ini adalah mekanisme sekunder yang memastikan bakteri hanya menggunakan laktosa ketika sumber energi yang lebih disukai, glukosa, tidak tersedia.

• Molekul Kunci: cAMP (cyclic AMP) dan protein CAP (Catabolite Activator Protein).
• Glukosa Rendah: Ketika Glukosa rendah, kadar cAMP tinggi. cAMP berikatan dengan protein CAP.
• Aktivasi Transkripsi: Kompleks cAMP-CAP berikatan dengan situs pengikatan di dekat Promotor $lac$. Pengikatan ini secara fisik membantu menarik RNA Polimerase ke promotor, secara drastis meningkatkan laju transkripsi (aktivasi).
• Glukosa Tinggi: Ketika Glukosa tinggi, kadar cAMP rendah. Kompleks cAMP-CAP tidak terbentuk, sehingga aktivasi transkripsi tidak terjadi, bahkan jika laktosa ada.

Kondisi Lingkungan	Regulasi Represor lac (Negatif)	Regulasi CAP (Positif)	Hasil Transkripsi lac
Glukosa Tinggi, Laktosa Absen	Represor terikat, Transkripsi mati.	cAMP rendah, CAP tidak aktif.	OFF (Basis)
Glukosa Tinggi, Laktosa Hadir	Represor tidak terikat, Transkripsi ON.	cAMP rendah, CAP tidak aktif (Aktivasi lemah).	LOW (Kurang Efisien)
Glukosa Rendah, Laktosa Absen	Represor terikat, Transkripsi mati.	cAMP tinggi, CAP aktif (Aktivasi kuat).	OFF (Dibatalkan oleh Represor)
Glukosa Rendah, Laktosa Hadir	Represor tidak terikat, Transkripsi ON.	cAMP tinggi, CAP aktif (Aktivasi kuat).	HIGH (Produksi Maksimal)

3. Operon trp (Repressible): Kontrol Negatif dan Atenuasi

Operon trp mengendalikan sintesis asam amino triptofan. Gen strukturalnya mengkode enzim untuk jalur biosintesis triptofan.

A. Kontrol Negatif (Represi oleh Represor $trp$)

Ini adalah mekanisme sederhana represor-korepresor.

• Gen $trpR$: Mengkode protein Represor $trp$.
• Default State (Triptofan Rendah): Represor $trp$ tidak aktif dan tidak berikatan dengan operator. Transkripsi hidup.
• Terpresi (Triptofan Tinggi): Triptofan bertindak sebagai Korepresor. Triptofan berikatan dengan Represor $trp$, mengaktifkannya. Represor aktif kemudian mengikat Operator ($O$), menghalangi RNA Polimerase. Transkripsi mati.

B. Atenuasi (Attennuation) – Regulasi Tambahan yang Rinci

Atenuasi adalah mekanisme regulasi kedua yang sangat penting dalam operon trp yang bertindak setelah inisiasi transkripsi. Atenuasi bergantung pada ketersediaan triptofan dan waktu transkripsi dan translasi yang digabungkan pada prokariota.

• Struktur Pemimpin: Urutan DNA yang disebut Urutan Pemimpin (trpL) terletak tepat sebelum gen struktural. Urutan ini mengkode peptida pendek dan memiliki empat daerah DNA yang dapat berpasangan satu sama lain (membentuk jepit rambut atau hairpin).
• Mekanisme:
  1. Triptofan Cukup: Ribosom bergerak cepat melewati urutan pemimpin karena triptofan yang cukup tersedia. Ini memungkinkan pembentukan struktur jepit rambut 3-4 yang bertindak sebagai Terminator Transkripsi. Transkripsi berhenti di tengah, dan gen struktural triptofan dimatikan.
  2. Triptofan Langka: Ribosom “terjebak” di urutan pemimpin (tempat kode triptofan) karena menunggu triptofan. Keterlambatan ini memungkinkan pembentukan jepit rambut 2-3 (bukan 3-4), yang bukan terminator. RNA Polimerase dapat melanjutkan transkripsi gen struktural. Gen triptofan dihidupkan.

Atenuasi memungkinkan kontrol yang sangat halus dan responsif terhadap kadar triptofan intraseluler, menjadikannya mekanisme regulasi yang paling detail dan cepat pada bakteri.