STRUKTUR GEN: OPERON

Tulisannya sedikit agak berat ya... Berat untuk dipahami. Hehe... 

Biologi Molekuler juga merupakan cabang ilmu pengetahuan yang mempelajari hubungan antara struktur dan fungsi molekul-molekul hayati serta kontribusi hubungan tersebut terhadap pelaksanaan dan pengendalian berbagai proses biokimia. Secara lebih ringkas dapat dikatakan bahwa Biologi Molekuler mempelajari dasar-dasar molekuler setiap fenomena hayati. Oleh karena itu, materi kajian utama di dalam ilmu ini adalah makromolekul hayati, khususnya asam nukleat, serta proses pemeliharaan, transmisi, dan ekspresi informasi hayati yang meliputi replikasi, transkripsi, dan translasi.

Perkembangan  ilmu biologi molekular tidak dapat dipisahkan dengan berbagai macam disiplin ilmu-ilmu yang lain, sperti biologi sel, genetika, biokimia, kimia organik, dan biofisika. Pada dasarnya ilmu-ilmu tersebut mempelajarai satu subjek yang sama yaitu mahlik hidup, namun dengan pendekatan dan sudut pandang yang berbeda.

Mahluk hidup yang menjadi objek dalam biologi molekular meliputi dua kelompok besar yaitu : organisme selular, dan organisme nonselular. Organisme selular tersusun atas satuan atau unit yang disebut sel. Sel mempunyai komponen subselular dan organel yang terorganisasi dalam satu-kesastuanyang holistik. Contoh dari organisme seluler meliputi bakteri, jamur, tumbuhan, hewan, dan manusia. Sementara organisme nonselular meliputi prion, viroid, dan virus.

Pada tulisan ini dijelaskan mengenai struktur gen terutama operon, suatu karakteristik organisme prokaryotik yang merupakan kumpulan gen yang lokasinya berdekatan antara satu dengan yang lain pada suatu genom prokariotik. Operon sangat berperan pada proses ekspresi gen, dimana semua gen dalam satu operon diekspresikan sebagai unit tunggal. 

A.        STRUKTUR GEN MANUSIA SECAMA UMUM

Manusia memiliki banyak sekali gen-gen, dan kumpulan dari gen-gen ini disebut genom yang berada dalam sebuah kromosom.

 

Gambar 1. Kumpulan gen manusia yang terdapat di dalam kromosom
                (Sumber : wofford-ecs.org)

        Secara umum struktur utama dari gen manusia adalah DNA. Mengapa untaian DNA merupakan komposisi pada sel genom manusia? Untuk mengatahuinya dilakukan pemeriksaan pada segmen 50 kb pada kromosom ke 7 yang merupakan segmen sel T β pada manusia.

Gambar 2. Segmen pada genom manusia
                Sumber : Figure 1.14 (Brown, 2002)

 

Segmen 5o kb ini terdiri dari:
F Satu gen, biasa disebut TRY4, yang merupakan informasi sintesis protein yang disebut tripsinogen yaitu precursor tidak aktif pada digesti enzim tripsin, dan TRY4 merupakan contoh gen terputus.

F Segmen dua gen, merupakan reseptor protein sel T β yang bernama V28 and V29-1 yang termasuk gen yang tidak lengkap, karena hanya sebagian saja yang lengkap dan termasuk gen terputus seperti TRY 4.

F Satu pseudogen, tidak berfungsi sebagai salinan gen karena hanya satu untaian nukleotida yang menjadi informasi, pseudogen ini disebut juga TRY 5.

F 52 genome-wide repeat sequences, merupakan susunan berulang pada berbagai tempat dalam genom dan memiliki empat tipe yaitu LINEs (long interspersed nuclear elements), SINEs (short interspersed nuclear elements), LTR (long terminal repeat) elements and DNA transposons.

F Dua mikrosatelit, merupakan susunan terpendek dari sekuen yang berulang serta terdiri dari enam salinan TATT.
Dari penguraian diatas dapat diketahui bahwa gen merupakan bagian terpenting dari genom manusia karena berisi informasi biologi yang mengekspresikan gen ke dalam RNA yang disebut mRNA.

 

Gambar 3. mRNA diantara gen dan produk protein
Sumber : Figure 1.15 (Brown, 2002)

Kebanyakan gen manusia umumnya terdiri dari Sembilan ekson per gen, walaupun beberapa lebih. Saat gen berekspresi RNA mensintesis salinannya pada gen yang menyebabkan intron sama dengan ekson, peristiwa ini disebut spicing.

Perbedaan umum gen manusia yaitu oleh adanya V28 dan V29-1, karena hanya terdapat segmen gen saja, sedang pada individu sel T segmen gennya saling berhubungan pada variasi combinasi yang nantinya malah menghasilkan fungsi reseptor yang berbeda.

Gambar 4. Struktur umum gen manusia
Sumber : Figure 1.17 (Brown, 2002)

Dari seluruh pembahasan d iatas dapat diketahui bahwa struktur umum pada gen manusia adalah DNA dan RNA, sedangkan variasi-variasi yang ada hanyalah bagian dari keseluruhan aktivitas genom.

 

Gambar 5.  Struktur gen prokaryotik

 

 

Gambar 6.  Struktur gen eukaryotik

B.  Operon

 

  

Gambar 7. Operon

Operon terdiri dari 4 komponen dasar DNA :
1. Promotor - urutan nukleotida yang memungkinkan gen untuk
                        ditranskripsi.
2. Regulator - sebuah gen ini mengontrol gen operator
                         bekerja sama dengan senyawa tertentu yang
                         disebut induser dan co-represor di dalam
                        sitoplasma.
3. Operator - segmen DNA yang mengikat represor .
4. Gen struktural - gen yang diatur oleh operon. Merupakan 
                                 bagian yang mengkode urutan nukleotida RNA.

Ekspresi operon prokariotik mengarah ke generasi polisistronik mRNA, sedangkan operon eukariotik menyebabkan monosistronik mRNA

Karakteristik organisme prokariotik adalah adanya operon. Operon merupakan kumpulan gen yang lokasinya berdekatan antara satu dengan yang lain pada suatu genom prokariotik, dimana hanya terdapat satu atau dua nukleotida pada akhir suatu gen dan dapat dijadikan sebagai penyambung pada gen berikutnya. Operon sangat berperan pada proses ekspresi gen, dimana semua gen dalam satu operon diekspresikan sebagai unit tunggal. Model yang dikenal sebagai operon ada dua unsur yang mengatur ekspresi gen struktural PENYANDI enzim yaitu gen regulator (repressor) dan operator yang letaknya berdekatan dengan gen-gen struktural yang diaturnya.

Salah satu contoh operon yang pertama kali ditemukan adalah operon lac. Operon lac merupakan suatu kumpulan tiga gen (lacZ, lacY, dan lacA) yang mengkode enzim yang terlibat pada penggunaan laktosa oleh bakteri Eschericia coli, dimana Operon lac dapat mempercepat ekspresi gen. LacY mengkode laktosa permease yang mentransport laktosa ke dalam sel, sedangkan lacZ dan lacA berfungsi mengkode enzim yang memisahkan laktosa menjadi glukosa dan galaktosa. Ekspresi gen tidak dapat berjalan atau inaktif apabila tidak terdapat operon yang menginduksinya. Hal ini didukung dengan adanya laktosa yang mengaktivasinya sehingga gen dapat terekspresikan. Operon mengkonversi disakarida berupa laktosa menjadi monosakarida berupa glukosa dan galaktosa. Monosakarida hasil konversi ini merupakan substrat untuk penghasil energi pada jalur glikolitik. Hal ini berarti bahwa gen-gen pada operon lac adalah untuk mengkonversi laktosa ke dalam bentuk yang dapat digunakan oleh bakteri E.coli sebagai sumber energi.

Laktosa bukan merupakan komponen umum bakteri E.coli yang terdapat di alam, dimana operon tidak dapat diekspresikan dan penggunaan enzim pada penggunaan laktosa tidak diproduksi oleh bakteri tersebut. Laktosa yang telah tersedia dapat mengekspresikan (switch on) operon. Hal ini mengakibatkan ketiga gen yang terdapat di dalam operon lac dapat terekspresikan secara bersama dan hasilnya akan mengkordinasi sintesis laktosa dengan penggunaan enzim.

 

Gambar 8: Peranan operon lac pada proses transkripsi, tanpa adanya laktosa, maka repressor lac akan mengikat operator dan apabila ada laktosa maka repressor akan bergerak, kemudian RNA polymerase akan terikat pada promoter menyebabkan RNA telah ditranskripsi yang kemudian akan berlangsung translasi dan terbentuk enzim laktase.

Bakteri E.coli dan Bacillus substilis memiliki operon yang berjumlah sama dan mengandung dua atau lebih gen. Gen-gen dalam operon secara fungsional saling berhubungan satu sama lain untuk mengkode sejumlah protein yang terlibat aktivitas biokimia tunggal seperti pada penggunaan gula sebagai sumber energi atau sintesis asam amino. Jenis operon yang kedua yaitu operon tryptophan pada E.coli. Tryptophan operon adalah contoh operon biosintesis yang ekspresinya diregulasi oleh sebuah effector. Operon ini mengandung lima buah gen struktural yang mengkode tiga enzim yang diperlukan untuk konversi asam chorismic menjadi tryptophan, yaitu : antrhanilate syntetase (komponen I yang dikode oleh trpE dan komponen II yang dikode oleh trpD), N-(5′-phosphoribosyl)-anthranilate isomerase/Indole-3-glycerol phosphate synthase yang disandikan oleh trpC, Tryptophan synthase (β-subunit yang disandikan oleh trpBI dan α-subunit yang disandikan oleh trpA). 

 

Gambar 9. Dua macam operon pada E.coli (A) Operon lac yang memiliki tiga macam gen yaitu lacZ, lacY, dan lacA. (B) Operon Tryptophan yang memiliki lima macam gen.

Sumber: Figure 2.2 (Brown, 2002).

Kesimpulan

Di dalam sel prokaryot, ada beberapa gen struktural yang diekspresikan secara bersama-sama dengan menggunakan satu promoter yang sama. Kelompok gen semacam ini dinamakan operon. Gen-gen ini pada umumnya adalah gen-gen yang terlibat di dalam suatu rangkaian reaksi metabolisme yang sama, misalnya metabolisme laktosa, arabinosa, dan lain-lain. Pengelompokan gen-gen semacam ini dalam suatu operon membuat sel menjadi lebih efisien di dalam melakukan proses ekspresi genetik. Sebaliknya, di dalam sistem jasad eukaryot, sistem organisasi operon semaacam ini tidak ada karena setiap gen diatur oleh satu promoter tersendiri.

Operon terdiri dari 4 komponen dasar DNA :
1. Promotor - urutan nukleotida yang memungkinkan gen untuk
                        ditranskripsi.
2. Regulator - sebuah gen ini mengontrol gen operator
                         bekerja sama dengan senyawa tertentu yang
                         disebut induser dan co-represor di dalam
                        sitoplasma.
3. Operator - segmen DNA yang mengikat represor .
4. Gen struktural - gen yang diatur oleh operon. Merupakan 
                                 bagian yang mengkode urutan nukleotida RNA.

Ekspresi operon prokariotik mengarah ke generasi polisistronik mRNA, sedangkan operon eukariotik menyebabkan monosistronik mRNA