REGULASI SINTESIS PROTEIN

(1)

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)

(2)

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

(3)

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

(4)

P O Gen struktural Elemen pengontrol P Gen regulator P O P RNA pol Regulator Regulator RNA pol Regulator Ef + efektor Ef

Hubungan antara promoter (P), operator (O), gen

struktural, dan regulator di dalam suatu operon

(5)

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

(6)

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

(7)

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

(8)

RNA pol mRNA Protein RNA pol Represor RNA pol Represor Ligan RNA pol RNA pol Represor Ligan + ligan Ekspresi - ligan Ekspresi Gen “on”

Regulasi negatif

(9)

Regulasi positif

Gen “off” Gen “off” RNA pol ligan ligan Gen “off” + ligan - ligan RNA pol

(10)

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

(11)

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

(12)

Operon lac

P O lacZ lacY lacA

lacI

Prot. regulator β-galaktosidase Protein M (galaktosida permease) Thiogalaktosida transasetilase laktosa eksternal laktosa glukosa galaktosa + Gen mRNA Protein (enzim)

gen regulator = lacI

gen struktural = lacZ, lacY, lacA

elemen pengontrol = promoter (P) dan operator (O)

(13)

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

(14)

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

(15)

P O lacY lacA lacI lacZ Prot. regulator Gen mRNA Protein (enzim)

Jika ada glukosa

RNA pol

(16)

P O lacY lacA

lacI lacZ

Prot. regulator β-galaktosidase Protein M (galaktosida peremease) Thiogalaktosida transasetilase Gen mRNA Protein (enzim)

laktosa eksternal laktosa glukosa galaktosa + membran sel RNA pol

Jika ada laktosa

laktosa

(17)

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

Operon lac diekspresikan Kesimpulan:

(18)

(19)

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

lacY- Æ Protein M tidak dihasilkan

Laktosa tidak dapat masuk kedalam sel 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,

(20)

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

lacO lacZ lacY lacO lacZ lacY

F’ lacI-d _lacI+ _{F’ lacI}-s _lacI+

Hibrid tetramer Hibrid

tetramer

(21)

(22)

Mutasi pada lacO

lacOc Æ konstitutif; cis-dominan

lacO+ _lacZ

-F’ lacc_lacZ+

Sintesis β-gal konstitutif

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”

(23)

(24)

Operon Triptofan

Asase = Anthranilate synthetase

PRTase = Phosphoribosyl transferase

Phosphoribosyl anthranilic acid

Carboxyphenylamino-1-deoxyribose-5-phosphate

(25)

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

Gen-gen struktural

aporepresor

Protein

Tidak ada triptofan Ada triptofan

(26)

(27)

Transkripsi leader-attenuator

Tidak ada triptofan

 Transkrip 162 nt (leader), RNA pol mentranskripsi trpE dst

Ada triptofan

(28)

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

(29)

Atenuasi

Transkrip RNA: 4 ulangan terbalik yang dapat saling berpasangan (1-2, 2-3, 3-4)

(30)

Attenuator

Transkrip RNA: 4 ulangan terbalik yang dapat saling berpasangan (1-2, 2-3, 3-4) membentuk jepit rambut

Leader

AUG AAA GCA AUU … UGG UGG CGC ACU UGA 27 54 69 Met Trp Stop

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

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

(36)

Contoh proses pembentukan 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)

rRNA mRNA

16S, 23S, 5S

rprotein Berlebihan_{Æ hambat}