REGULASI SINTESIS PROTEIN Berdasarkan ekspresi gen 1. Gen teregulasi/terkendali (regulated gene) ekspresi gen tergantung keadaan lingkungan Contoh: gen yang terlibat dalam metabolisme laktosa 2. Gen tidak teregulasi/tidak terkendali (constitutive gene) ekspresi terus menerus, produk (protein) konstan, produk diperlukan setiap saat, tidak tergantung lingkungan Contoh: gen yang terlibat dalam metabolisme glukosa (glikolisis)
Kontrol ekspresi 1. Struktur promoter Berpengaruh terhadap frekuensi transkripsi, menentukan produk/sel 2. Struktur transkrip mrna Berpengaruh terhadap laju degradasi oleh ribonuklease 3. Sekuen nukleotida yang berasosiasi dengan signal mulainya translasi (AUG) Berpengaruh terhadap laju inisiasi translasi
Gen teregulasi Kontrol tingkat transkripsi: gen diekspresikan bila kondisi memungkinkan tingkat translasi: mrna ditranslasikan bila kondisi memungkinkan Elemen pengontrol promoter: tempat menempel RNA polimerase operator: tempat menempel protein regulator -terletak antara promoter dan gen -mempengaruhi penempelan RNA polimerase pada promoter
Hubungan antara promoter (P), operator (O), gen struktural, dan regulator di dalam suatu operon Elemen pengontrol Gen struktural Gen regulator RNA pol Regulator Regulator P O P + efektor Ef Ef Regulator RNA pol P O P
Molekul yang terlibat dalam regulasi 1. Protein regulator (= regulator = protein afektor = afektor) Molekul kunci dalam regulasi: mengikat elemen pengontrol secara spesifik 2. Molekul efektor Molekul kecil (asam amino, gula, nukleotida) Mengikat regulator, sehingga regulator dapat menempel atau lepas dari situs penempelannya 4 elemen kunci dalam regulasi genetik bakteri dan fage Gen struktural yang teregulasi Elemen pengontrol Protein regulator (dan gen regulator) Efektor
Molekul yang terlibat dalam regulasi 1. Protein regulator (= regulator = protein afektor = afektor) Molekul kunci dalam regulasi: mengikat elemen pengontrol secara spesifik 2. Molekul efektor Molekul kecil (asam amino, gula, nukleotida) Mengikat regulator, sehingga regulator dapat menempel atau lepas dari situs penempelannya 4 elemen kunci dalam regulasi genetik bakteri dan fage Gen struktural yang teregulasi Elemen pengontrol Protein regulator (dan gen regulator) Efektor
Regulasi transkripsi Regulasi negatif: gen selalu diekspresikan, dan berhenti bila terdapat protein (represor) yang menempel pada DNA Regulasi positif: gen selalu tidak diekspresikan, dan diekspresikan bila terdapat protein (aktivator) yang menempel pada DNA
Regulasi negatif RNA pol RNA pol Gen on mrna Protein Ligan Represor + ligan RNA pol Ekspresi RNA pol Represor Represor Ligan - ligan RNA pol Ekspresi
Regulasi positif Gen off ligan RNA pol + ligan Gen off RNA pol ligan - ligan Gen off
Operon F. Jacob & J. Monod (nobel fisiologi & kedokteran 1965) operon laktosa (penjelasan elemen pengontrol dalam penggunaan laktosa) Operon: sekelompok gen yang berdampingan yang ditranskripsikan membentuk satu molekul tunggal mrna Pengontrol transkripsi sebuah operon: operator
Jenis Operon 1. Operon indusibel (inducible): Gen struktural dari operon selalu tidak diekspresikan, transkripsi terjadi bila ada efektor Efektor = inducer Terjadi pada sintesis enzim katabolisme substrat yang tidak selalu ada dalam media Contoh: operon lac (laktosa), gal (galaktosa), ara (arabinosa) 2. Operon represibel (repressible) Gen struktural selalu diekspresikan, transkripsi berhenti bila ada efektor Efektor = ko-represor Terjadi pada sintesis enzim yang terlibat dalam proses biosintesis Contoh: operon his (histidin), trp (triptofan)
Operon lac Gen laci P O lacz lacy laca mrna Protein (enzim) Prot. regulator β-galaktosidase Protein M (galaktosida permease) Thiogalaktosida transasetilase galaktosa + glukosa laktosa laktosa eksternal gen regulator = laci gen struktural = lacz, lacy, laca elemen pengontrol = promoter (P) dan operator (O) membran sel
Regulasi lac 1. Operon di bawah kontrol negatif Jika berinteraksi dengan protein regulator, transkripsi dihambat Protein regulator sebagai represor, disandi oleh laci 2. Operon indusibel Jika represor menempel pada operator, transkripsi dihambat Jika ada efektor, represor tidak mengikat operator, maka gen=gen struktural ditranskripsikan
3. Operon lac di bawah kontrol positif Jika berinteraksi dengan protein regulator CAP (catabolite activator protein), laju transkripsi meningkat CAP memiliki kemiripan dengan CRP (cyclic AMP receptor protein) CAP menempel pada elemen pengontrol di dekat promoter, menyebabkan laju transkripsi meningkat selama tingkat glukosa rendah. Meningkatnya konsentrasi glukosa menyebabkan CAP lepas dari elemen pengontrol, dan transkripsi lac menurun tajam
Jika ada glukosa Operon lac RNA pol Gen laci P O lacz lacy laca mrna Protein (enzim) Prot. regulator gen regulator = laci gen struktural = lacz, lacy, laca elemen pengontrol = promoter (P) dan operator (O)
Jika ada laktosa Operon lac Gen laci P O lacz lacy laca RNA pol mrna Protein (enzim) Prot. regulator β-galaktosidase Protein M (galaktosida peremease) Thiogalaktosida transasetilase laktosa galaktosa + glukosa laktosa laktosa eksternal gen regulator = laci gen struktural = lacz, lacy, laca elemen pengontrol = promoter (P) dan operator (O) membran sel
E. coli tipe liar Bila tidak ada laktosa (ada sumber C lain): β-gal, protein M, thiogalaktosatransasetilase rendah (1/1000 konsentrasi ketiga protein saat ada laktosa) Bila ditambahkan laktosa: 3-4 menit, ketiga protein tsb disintesis Laktosa sebagai inducer Di sitoplasma: Laktosa β-gal Allolaktosa + Represor Represor tidak mampu mengikat operator Kesimpulan: Allolaktosa adalah molekul efektor Operon lac diekspresikan
Molekul efektor
Mutasi pada operon lac Mutasi pada lacz dan lacy operon tidak terinduksi laktosa lacz - β-gal tidak dihasilkan Laktosa tidak dapat diubah menjadi allolaktosa Laktosa tidak dapat lacy - Protein M tidak dihasilkan masuk kedalam sel IPTG dapat masuk & berinteraksi dg represor laci - ekspresi operon konstitutif (+/- Induser sintesis β-gal & prot M) Resesif: diploid parsial (WT x F laci - lacz + WT) laci -s ekspresi operon terjadi jika konsentrasi efektor sangat tinggi s = super repress WT x F laci -s lacz + mutan (tdk terbentuk β-gal) laci -s = dominan thd laci laci -s lacz + laci + lacz = + = F laci + lacz + F laci -s lacz + mutan Produk laci berdifusi, pengaruhnya cis dan trans
laci -d ekspresi operon konstitutif (+/- Induser sintesis β-gal & prot M) Dominan (d): diploid parsial (WT x F laci -d lacz + mutan) Mirip laci - sintesis konstitutif pada sel haploid Mirip laci -s dominan di dalam sel diploid parsial Represor lac: tetramer Ujung N dan C pengikatan pada operator; tengah pengikatan inducer lac -s : kehilangan kemampuan mengikat inducer (IPTG), kemampuan mengikat DNA normal lac -d : kehilangan kemampuan mengikat DNA, kemampuan mengikat inducer normal F laci -d laci + F laci -s laci + Hibrid tetramer Isopropiltiogalaktosida Hibrid tetramer laco lacz lacy laco lacz lacy X
Mutan laci -d
Mutasi pada laco laco c konstitutif; cis-dominan laco + lacz - F lac c lacz + Sintesis β-gal konstitutif laco + lacz + F lac c lacz - Sintesis β-gal memerlukan inducer Represor lac mengenali jumlah nt kecil. Situs untuk represor tumpang-tindih dengan situs untuk RNA pol Peran ganda DNA operator lac Sel tidak terinduksi nt 1-21 berinteraksi dengan represor Sel terinduksi ditranskripsikan menjadi leader sequence
Operon arabinosa
Operon Triptofan Phosphoribosyl anthranilic acid Carboxyphenylamino-1- deoxyribose-5-phosphate Asase = Anthranilate synthetase PRTase = Phosphoribosyl transferase IGPSase = Indol-3-glycerol phosphatase Tsase = Tryptophan synthetase
Tingkatan regulasi sintesis enzim yang terlibat dalam sintesis triptofan 1.Feedback inhibition Tidak melibatkan gen Produk akhir (trp) menghambat enzim awal (Asase) 2.Regulasi operator-represor Regulasi pada tingkat gen: trpo situs menempel represor trpr represor trp (108 aa) (tetramer) Operon repressible Represor trp tidak mampu mengikat trpo aporepresor triptofan ko-represor Tidak ada triptofan Ada triptofan Gen-gen struktural aporepresor Protein + trp
Leader-attenuator
Transkripsi leader-attenuator Tidak ada triptofan Transkrip 162 nt (leader), RNA pol mentranskripsi trpe dst Ada triptofan Transkrip 140 nt (leader), RNA pol tidak dapat mentranskripsi trpe dst
Operon Triptofan Tidak ada triptofan Transkrip 162 nt (leader), RNA pol mentranskripsi trpe dst Ada triptofan Transkrip 140 nt (leader), RNA pol tidak dapat mentranskripsi trpe dst
Atenuasi Transkrip RNA: 4 ulangan terbalik yang dapat saling berpasangan (1-2, 2-3, 3-4) membentuk jepit rambut
Attenuator Leader AUG AAA GCA AUU UGG UGG CGC ACU UGA 27 54 69 Met Trp Stop Transkrip RNA: 4 ulangan terbalik yang dapat saling berpasangan (1-2, 2-3, 3-4) membentuk jepit rambut
Attenuator
Operon his
Biosintesis Leucine
Biosintesis arginin
Kontrol translasi Terjadi setelah transkrip meninggalkan DNA cetakan Mengatur laju inisiasi translasi, laju pembacaan mrna, stabilitas mrna 1. Efisiensi penempelan ribosom Semakin efisien, semakin banyak produk translasi (protein) 2. Penggunaan kodon Penggunaan kodon sinonim (kodon tidak populer, misalnya ser 6 kodon) produk rendah 3. Represi translasi protein subunit besar ribosom L11 Jika diambil dari larutan translasi terus jika over produksi translasi berhenti
Contoh proses pembentukan ribosom 16S, 23S, 5S rrna mrna rprotein Berlebihan hambat ribosom Ribosom E. coli: 52 rprotein (disandi oleh 52 gen) + 3 rrna (16S, 23S, 5S) Jika rrna ada di sel, rprotein berasosiasi ribosom rprotein disintesis terus Jika rrna tidak ada di sel (rprotein banyak) --> rprotein mengikat mrnanya translasi rprotein berhenti Kemampuan rprotein mengikat rrna dan mrna Kesamaan struktural situs penempelan rprotein pada rrna dan mrna Kesamaan rrna dan mrna (sekuens nt, struktur sekunder) rprotein lebih kuat mengikat rrna darpada mrna