Lac Operon

Agar laktosa dapat digunakan oleh bakteri, laktosa harus dihidrolisis terlebih dulu

menjadi galaktosa dan glukosa dengan enzim β-galaktosidase. Gen struktural untuk β-

galaktosidase (lacZ) terletak bersebelahan dengan gen untuk permease yang bertanggung

jawab terhadap pengambilan laktosa ke dalam sel (lacY) dan untuk thiogalaktosida

transasetilase (enzim untuk detoksifikasi senyawa toksik yang juga dapat masuk melalui

permease) (lacA). Ketiga gen struktural tersebut besama dengan promoter lac (daerah tempat

pelekatan RNA polimerase pada saat inisiasi transkripsi) dan operator lac (daerah

pengaturan) sangat berkaitan erat membentuk lac operon (Gambar 1).

Gambar 1. Struktur lac operon.

Rangkaian genetik tersebut memungkinkan koordinasi ekspresi ketiga enzim/protein terkait

dengan metabolisme laktosa. Ketiga gen tersebut ditranskripsikan menjadi satu molekul

mRNA besar yang mengandung kodon start (AUG) dan kodon stop (UAA) untuk setiap

bagian sistron (unit terkecil ekspresi genetik). Dengan demikian protein akan ditranslasikan

secara terpisah.

1. Pengaturan Negatif Lac Operon

Ketika E. coli dikulturkan pada media yang mengandung laktosa (tanpa/sedikit

glukosa) dengan kondisi yang sesuai, sintesis β-galaktosidase, galaktosida permease dan

thiogalaktosida transasetilase meningkat 100-1000 kali. Namun, ketika laktosa (inducer)

dihilangkan, sintesis ketiga enzim tersebut menurun seketika. Mekanisme peningkatan

sintesis enzim yang ditingkatkan oleh adanya inducer disebut induksi, sedangkan enzim yang

disintesis disebut inducible enzyme.

Sedikit molekul β-galaktosidase di dalam sel sebelum induksi akan mengubah laktosa

menjadi allolaktosa yang kemudian memicu transkripsi gen lac operon, sehingga allolaktosa

disebut inducer. Suatu analog laktosa (isopropylthiogalactoside/IPTG) yang bukan

merupakan substrat β-galaktosidase dan mampu menginduksi lac operon disebut gratuitous

inducer. Penambahan laktosa atau IPTG kedalam media bakteri yang mengandung sedikit

sumber karbon menyebabkan induksi enzim lac operon. Sejumlah kecil laktosa atau IPTG

dapat masuk kedalam sel tanpa permease. Molekul LacI repressor baik yang melekat pada

lokus operator maupun yang terdapat bebas dalam sitosol memiliki afinitas tinggi terhadap

inducer. Pengikatan inducer ke molekul repressor yang melekat pada operator menyebabkan

perubahan konformasi molekul repressor sehingga molekul repressor terdisosiasi dari DNA

karena afinitasnya terhadap operator menurun 103 kali  (Kd sekitar 10–9 mol/l). Apabila

RNA polimerase telah melekat pada promoter, transkripsi segera dimulai (Gambar 2).

Gambar 2. Mekanisme induksi pada pengaturan negatif lac operon.

2. Pengaturan Positif Lac Operon

Ketika E. coli dikulturkan pada media yang mengandung laktosa dan glukosa sebagai

sumber karbon, bakteri tersebut pertama akan memetabolisme glukosa kemudian berhenti

tumbuh sebentar sampai lac operon terinduksi untuk menyediakan kemampuan

memetabolisme laktosa. Meskipun laktosa tersedia sejak awal pertumbuhan bakteri, sel

tersebut tidak menginduksi enzim yang diperlukan untuk katabolisme laktosa sampai glukosa

habis. Fenomena ini menunjukkan bahwa terjadi represi lac operon oleh beberapa katabolit

glukosa, sehingga mekanisme ini disebut catabolite repression (Gambar 3).

Gambar 3. Mekanisme catabolite repression pada E. coli.

Telah diketahui bahwa catabolite repression diperantarai catabolite activator protein

(CAP) yang berikatan dengan Cyclic Adenosine Monophosphate (cAMP). Protein tersebut

juga disebut cAMP receptor protein (CRP). Agar RNA polimerase dapat melekat pada

promoter secara efisien, diperlukan CAP dimana cAMP terikat. cAMP hanya terakumulasi

ketika bakteri kekurangan sumber karbon. Glukosa dalam konsentrasi yang cukup untuk

pertumbuhan menghambat adenilat siklase, yakni enzim yang mengkatalisis perubahan ATP

menjadi cAMP. Dengan demikian, adanya glukosa menyebabkan jumlah kompleks CAP-

cAMP rendah sehingga RNA polimerase tidak dapat memulai transkripsi lac operon.

Pelekatan kompleks CAP-cAMP pada daerah upstream pomoter menyebabkan transkripsi

berlangsung. Pada saat, tidak terdapat glukosa dan laktosa ada, kompleks CAP-cAMP

menstimulasi transkripsi gen lac operon agar dapat menggunakan laktosa sebagai sumber

karbon. Ketidaktersediaan laktosa menyebabkan lac operon tetap tidak aktif. Kombinasi

tersebut menyebabkan gen lac operon hanya akan ditranskripsi kuat pada saat glukosa tidak

ada dan laktosa ada. Regulator CAP-cAMP adalah regulator positif karena keberadaannya

diperlukan untuk ekspresi genetik (Gambar 4).

Gambar 4. Mekanisme represi dan induksi pada lac operon.

Daftar Pustaka

Berg, J.M., J.L. Tymoczko and L. Stryer. 2000. Biochemistry. 5th edition. W.H. Freeman and Company. www.whfreeman.com/biochem5.

Hames, D. and N. Hooper. 2005. Instant Notes in Biochemistry. 3rd edition. Taylor & Francis Group. Abingdon, UK.

Murray, R.K., D.K. Granner and V.W. Rodwell. 2006. Harper's Illustrated Biochemistry. 27th Edition. The McGraw-Hill Companies, Inc. USA.

Nelson, D.L. and M.M. Cox. 2004. Lehninger Principles of Biochemistry. 4th Editoin. W.H. Freeman. www.whfreeman.com/lehninger4e.

Pelczar, M.J. 1986. Dasar-dasar Mikrobiologi. UI-Press. Jakarta.