Operon lac

Operon  lac adalah operon yang dibutuhkan dalam transpor dan metabolisme dari laktosa di E.coli dan berbagai macam bakteri enterik lainnya. Operon lac terdiri dari gen structural (lacZ, lacY, dan lazZ), situs operator, dan gen regulator yang terdiri dari lacCRP, lacP, dan lacO yang merupakan situs pengikatan untuk reseptor protein cAMP, RNA polimerase, dan represor laktosa.

Gen struktural lac operon

Gen struktural dalam lac operon berfungsi untuk menyandikan protein untuk melakukan fungsinya dalam sel. lacZ berperan sebagai gen yang mengkodekan protein β-galaktosidase, lacY berperan dalam mengkodekan protein laktosa permease, sementara lacA berperan dalam mengkodekan protein galaktosida asetiltransferase.
Dalam fungsinya untuk mengkataboli laktosa, laktosa permease yang berada pada membran sitoplasma berfungsi untuk mentransport laktosa kedalam sel . Sementara β-galaktosidase yang berada pada permukaan membran sitoplasma berfungsi untuk memecah laktosa menjadi glukosa dan galaktosa, dan galaktosida asetiltransferase berfungsi untuk mengikat ikatan β-D-galaktosida pada laktosa dengan asetil-CoA, sehingga diproduksi CoA dan asetil-β-D-galaktosida yang sampai sekarang belum diketahui fungsi signifikannya dalam katabolisme laktosa.
Gen struktural dalam lac operon ditranskripsi dalam bentuk mRNA polisistronik yang akan ditranslasikan menjadi ketiga enzim tersebut. Dengan diproduksinya ketiga enzim tersebut secara bersamaan, maka regulasi produk gen akan menjadi lebih efisien, karena tidak selamanya bakteri menggunakan laktosa sebagai sumber energinya, dan hanya digunakan ketika terdapat laktosa dalam jumlah banyak, sehingga tidak membuang biomassa sel hanya untuk mensintesa enzim-enzim tersebut. Transkripsi dimulai dari sebuah promoter (Plac).

Situs regulator lac operon

Situs regulator laktosa memiliki satu gen struktural (lacI) dan satu situs pengontrolan (lacP2), dimana gen strukturalnya berperan untuk mengkodekan subunit tetramer represor laktosa, sementara situs pengontrolan berperan sebagai situs pengikatan RNA polimerase. Pada keadaan tidak ada inducer, represor mengikat pada lacO secara sterik dan memblokir pengikatan RNA polimerase ke lacP2 dan menghambat insiasi transkripsi dari operon laktosa. Represor juga berperan dalam pemblokiran transkripsi operon regulator laktosa, beserta dengan produksi dirinya sendiri atau disebut sebagai autorepresi.

Regulasi lac operon tanpa inducer maupun substrat

Pada keadaan tidak ada laktosa ataupun inducer lainnya, represor tetap akan mengikat lacO dan menghalangi terjadinya transkripsi karena pengikatan RNA polimerase diblokir pada situs lacP, tetapi konsentrasi represor akan menurun karena terjadi protein turnover atau mengalami degradasi dan dilusi oleh pertumbuhan dan pembelahan sel, sehingga lacO akan dilepas oleh represor secara berkala, dan RNA polimerase dapat mengikat pada lacP dan menginiasasi transkripsi. Sintesis mRNA yang terjadi seperti ini dinamakan sebagai sneak synthesis. Translasi mRNA polisistronik yang terjadi akan menghasilkan ketiga enzim yang menjadi stuktural dari lac operon dengan konsentrasi yang rendah. Enzim pada konsentrasi rendah ini dinamakan sebagai level basal dari enzim, sehingga sel tidak akan pernah kehilangan enzim untuk katabolisme laktosa.

Regulasi lac operon dengan inducer IPTG

Ketika terdapat inducer, seperti isopropil-β-D-tiogalaktosida (IPTG) ditambahkan kedalam media yang terdapat populasi bakteria pengkatabolit laktosa, operon laktosa akan aktif. Laju pembentukan β-galaktosidase, permease, dan transasetilase akan meningkat pesat sampai pada keadaan jenuh atau maksimum selama kondisi lingkungan tidak berubah. IPTG dapat diambil oleh bakteri, akibat aktivitas permease yang terbentuk karena level basal dari enzim dan akan tetap terkonsentrasi di membran plasma. IPTG akan mengikat represor dan mengalami perubahan konformasi, sehingga represor akan berada pada keadaan inaktifnya, dan tidak dapat mengikat ke operator lagi, sehingga RNA polimerase akan dengan mudah mengikat pada lacP dan menginisiasi transkripsi tanpa adanya represor. Segera setelah RNA polimerase menginisiasi transkripsi, RNA polimerase yang lain akan langsung mengikat ke promoter dan memulai transkripsi lagi, sehingga akan terdapat banyak mRNA dari operon laktosa, tetapi translasi yang terjadi tidak dapat dilakukan seperti halnya pada transkripsi. Translasi yang terjadi setelah mRNA pertama hanya akan dimulai ketika mRNA pertama selesal ditranslasi, tetapi masing-masing mRNA dapat ditranslasi berulang, sekitar 40-50 kali sehingga konsentrasi enzim yang terbentuk akan makin besar.

Pengukuran aktivitas operon lac

Dalam percobaannya untuk mendeteksi aktivitas operon laktosa, biasanya digunakan absorbansi cahaya untuk mengukur unit enzim yang terbentuk, seperti penambahan senyawa tidak berwarna ortho-nitrophenol galaktosida (ONPG) yang berfungsi untuk mengukur kadar β-galaktosidase yang akan menghasilkan warna kuning seiring waktu dan aktivitas enzimnya. ONPG akan terpecah menjadi galaktosa dan nitrofenol yang berwarna kuning, tidak seperti IPTG, ONPG bukanlah inducer

Pentingnya regulasi operon dalam bakteri

Jika biosintesa tidak diregulasi, maka sel akan dengan cepat terpenuhi dengan mRNA dan enzim yang tidak berguna karena sintesis dari molekul-molekul ini membutuhkan banyak energi, sementara energi yang dibutuhkan untuk membuat molekul tersebut lebih baik dialokasikan untuk perbaikan sel ataupun reproduksi sel. Selebihnya lagi, katabolisme berlebihan akan membuat banyak produk katabolit untuk keluar dari sel dan membutuhkan protein transport lebih banyak. Karena protein transport glukosa dan enzim katabolitnya diproduksi pada kadar yang tinggi, akan sangat tidak berguna untuk menginduksi operon untuk utilisasi gula lain, ketika terdapat glukosa sebagai sumber makanan. Karena alasan-alasan ini, maka regulasi untuk mengatur kadar mRNA, dan enzim dibutuhkan