REGULASI SINTESIS PROTEIN

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)

Suharsono.2005. BTK505. IPB

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 Suharsono.2005. BTK505. IPB

Hubungan antara promoter (P), operator (O), gen struktural, dan regulator di dalam suatu operon Elemen pengontrol

Gen regulator

Gen struktural

Regulator RNA pol

Regulator

P

O

P

Ef

+ efektor

Ef

Regulator

RNA pol

P

O

P Suharsono.2005. BTK505. IPB

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 Suharsono.2005. BTK505. IPB

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 Suharsono.2005. BTK505. IPB

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 Gen “on”

RNA pol

mRNA Protein RNA pol

Represor

+ ligan

Ligan RNA pol

Ekspresi Represor

RNA pol

Represor Ligan RNA pol

- ligan Ekspresi Suharsono.2005. BTK505. IPB

Regulasi positif Gen “off” RNA pol

+ ligan 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) Suharsono.2005. BTK505. IPB

Operon lac

Gen

lacI

P

lacZ

O

lacY

lacA

mRNA Protein (enzim)

Prot. regulator

β-galaktosidase Protein M Thiogalaktosida (galaktosida transasetilase permease)

galaktosa + glukosa

laktosa

laktosa eksternal

membran sel gen regulator = lacI gen struktural = lacZ, lacY, lacA elemen pengontrol = promoter (P) dan operator (O) Suharsono.2005. BTK505. IPB

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


Operon lac Jika ada glukosa RNA pol

Gen

lacI

P

O

lacZ

lacY

lacA


Prot. regulator

gen regulator = lacI gen struktural = lacZ, lacY, lacA elemen pengontrol = promoter (P) dan operator (O) Suharsono.2005. BTK505. IPB

Operon lac Jika ada laktosa lacI

Gen

P

lacZ

O

lacY

lacA

RNA pol


laktosa

Prot. regulator

β-galaktosidase Protein M Thiogalaktosida (galaktosida transasetilase peremease)

galaktosa + glukosa

laktosa

laktosa eksternal

gen regulator = lacI membran sel gen struktural = lacZ, lacY, lacA elemen pengontrol = promoter (P) dan operator (O) Suharsono.2005. BTK505. IPB

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: β-gal Allolaktosa + Represor Laktosa

Represor tidak mampu mengikat operator

Operon lac diekspresikan Kesimpulan: Allolaktosa adalah molekul efektor Suharsono.2005. BTK505. IPB

Molekul efektor


Mutasi pada operon lac Mutasi pada lacZ dan lacY Æ operon tidak terinduksi laktosa lacZ- Æ β-gal tidak dihasilkan

Laktosa tidak dapat diubah menjadi allolaktosa

Laktosa tidak dapat masuk kedalam sel lacY- Æ Protein M tidak dihasilkan IPTG dapat masuk & berinteraksi dg represor lacI- Æ ekspresi operon konstitutif (+/- Induser Æ sintesis β-gal & prot M) Resesif: diploid parsial (WT x F’ lacI- lacZ+ Æ WT) lacI-s Æ ekspresi operon terjadi jika konsentrasi efektor sangat tinggi s = super repress WT x F’ lacI-s lacZ+ Æ mutan (tdk terbentuk β-gal) lacI-s= dominan thd lacI lacI-s lacZ+ F’ lacI+ lacZ+

=

lacI+ lacZ+ F’ lacI-s lacZ+

= mutan

Produk lacI berdifusi, pengaruhnya cis dan trans Suharsono.2005. BTK505. IPB

lacI-d Æ ekspresi operon konstitutif (+/- Induser Æ sintesis β-gal & prot M) Dominan (d): diploid parsial (WT x F’ lacI-d lacZ+ Æ mutan) Mirip lacI- Æ sintesis konstitutif pada sel haploid Mirip lacI-s Æ dominan di dalam sel diploid parsial Represor lac: tetramer Ujung N dan C Æ pengikatan pada operator; tengah Æ 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+

Isopropiltiogalaktosida

Hibrid tetramer

lacO lacZ

lacY

Hibrid tetramer

lacO lacZ

lacY

X Suharsono.2005. BTK505. IPB

Mutan lacI-d


Mutasi pada lacO lacOc Æ konstitutif; cis-dominan lacO+ lacZ-

Sintesis β-gal konstitutif

F’ lacc lacZ+ lacO+ lacZ+ F’ lacc 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 Æ nt 1-21 berinteraksi dengan represor Sel terinduksi Æ ditranskripsikan menjadi “leader sequence”


Operon arabinosa


Operon Triptofan

Phosphoribosyl anthranilic acid

Carboxyphenylamino-1deoxyribose-5-phosphate

Asase = Anthranilate synthetase PRTase = Phosphoribosyl transferase IGPSase = Indol-3-glycerol phosphatase Tsase = Tryptophan synthetase Suharsono.2005. BTK505. IPB

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 Æ situs menempel represor trpR Æ represor trp (108 aa) (tetramer) Operon repressible Represor trp tidak mampu mengikat trpO Æ aporepresor triptofan Æ ko-represor Tidak ada triptofan

Ada triptofan

Gen-gen struktural

Protein

+ trp

aporepresor Suharsono.2005. BTK505. IPB

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 Suharsono.2005. BTK505. IPB

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 Æ 6 kodon) Æ produk rendah 3. Represi translasi protein subunit besar ribosom L11 Jika diambil dari larutan Æ translasi terus jika over produksi Æ translasi berhenti


Contoh proses pembentukan ribosom

rRNA

mRNA

16S, 23S, 5S

rprotein

Berlebihan Æ hambat

ribosom

Ribosom E. coli: 52 rprotein (disandi oleh 52 gen) + 3 rRNA (16S, 23S, 5S) Jika rRNA ada di sel, rprotein berasosiasi Æ ribosom Æ rprotein disintesis terus Jika rRNA tidak ada di sel (rprotein banyak) --> rprotein mengikat mRNAnya Æ 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 Suharsono.2005. BTK505. IPB

REGULASI SINTESIS PROTEIN

Recommend Documents