Lac operon: penemuan dan fungsi

Lac operon: penemuan dan fungsi

lac operon adalah sekelompok gen struktural yang berfungsi untuk protein encode terlibat dalam metabolisme laktosa. Mereka adalah gen yang diurutkan secara berurutan dalam genom hampir semua bakteri dan telah dipelajari dengan upaya khusus dalam “caral” bakteri Escherichia coli .

Operon lac adalah caral yang digunakan oleh Jacob dan Monod pada tahun 1961 untuk mengusulkan susunan genetik dalam bentuk operon. Dalam pekerjaan mereka, para penulis ini menggambarkan bagaimana ekspresi satu atau lebih gen dapat “dihidupkan” atau “dimatikan” sebagai konsekuensi dari adanya molekul (laktosa, misalnya) dalam media pertumbuhan.

Skema umum operon lac. Tereseik. Karya turunan dari gambar G3pro. Terjemahan ke dalam bahasa Spanyol oleh Alejandro Porto. [CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Bakteri yang tumbuh di media pertumbuhan yang kaya akan senyawa karbon atau gula selain laktosa, seperti glukosa dan galaktosa, memiliki jumlah protein yang sangat rendah yang diperlukan untuk metabolisme laktosa.

Kemudian, dengan tidak adanya laktosa, operon “dimatikan”, mencegah RNA polimerase mentranskripsi segmen gen yang sesuai dengan operon lac. Ketika sel “merasakan” keberadaan laktosa, operon diaktifkan dan gen-gen ini biasanya ditranskripsi, yang dikenal sebagai “menghidupkan” operon.

Semua gen operon diterjemahkan ke dalam satu molekul RNA messenger dan, oleh karena itu, faktor apa pun yang mengatur transkripsi RNA messenger dari operon lac ini akan secara langsung mengatur transkripsi gen apa pun yang dimilikinya.

Indeks artikel

Penemuan

Teori Jacob dan Monod berkembang dalam konteks di mana sangat sedikit yang diketahui tentang struktur DNA . Dan hanya delapan tahun sebelum Watson dan Crick membuat proposal mereka tentang struktur DNA dan RNA, sehingga RNA pembawa pesan hampir tidak diketahui.

Jacob dan Monod pada 1950-an telah menunjukkan bahwa metabolisme laktosa bakteri secara genetik diatur oleh dua kondisi yang sangat spesifik: ada dan tidak adanya laktosa.

Kedua ilmuwan telah mengamati bahwa protein dengan karakteristik yang mirip dengan enzim alosterik mampu mendeteksi keberadaan laktosa dalam medium dan setelah gula terdeteksi, transkripsi dua enzim dirangsang: permease laktosa dan galaktosidase.

Saat ini diketahui bahwa permease memiliki fungsi dalam pengangkutan laktosa ke dalam sel dan bahwa galaktosidase diperlukan untuk “memecah” atau “memotong” molekul laktosa menjadi glukosa dan galaktosa, sehingga sel dapat memanfaatkan disakarida ini sebagai penyusunnya. bagian.

Pada tahun 1960 telah ditentukan bahwa laktosa permease dan galaktosidase dikodekan oleh dua urutan genetik yang berdekatan, wilayah Z dan wilayah Y, masing-masing.

Lac operon adalah bagian dari genom bakteri Escherichia coli. Sumber: NIAID [CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0)], melalui Wikimedia Commons

Akhirnya, pada tahun 1961, Jacob dan Monod mempresentasikan caral genetik yang terdiri dari lima unsur genetik:

– Seorang promotor

– Operator dan

– gen Z, Y dan A.

Semua segmen ini diterjemahkan menjadi RNA pembawa pesan tunggal dan terdiri dari bagian-bagian penting untuk mendefinisikan hampir semua operon bakteri di alam.

Analisis dan eksperimen genetik

Jacob, Monod, dan kolaboratornya melakukan banyak eksperimen dengan sel bakteri yang mengalami mutasi yang menyebabkan galur tersebut tidak dapat memetabolisme laktosa. Strain tersebut diidentifikasi dengan nama strain dan mutasi yang sesuai yang mereka miliki.

Dengan cara ini, para peneliti mampu mengidentifikasi bahwa mutasi pada gen lacZ, yang kode untuk β-galaktosidase, dan lacY, yang kode untuk permease laktosa, bakteri menghasilkan dari lac – jenis , yaitu, bakteri mampu metabolisme laktosa. .

Dari “pemetaan genetik” menggunakan enzim restriksi, lokasi gen dalam strain yang berbeda kemudian ditentukan, yang memungkinkan untuk menetapkan bahwa tiga gen lacZ, lacY dan lacA ditemukan (dalam urutan itu) pada kromosom bakteri dalam kelompok gen yang berdekatan.

Keberadaan protein lain, yang disebut protein represor, yang tidak selalu dianggap sebagai “bagian” dari operon, dijelaskan melalui mutasi pada gen yang disebut lacI-. Ini mengkodekan protein yang mengikat ke wilayah “operator” di operon dan mencegah transkripsi gen untuk -galaktosidase dan laktosa permease.

Dikatakan bahwa protein ini bukan bagian dari gen yang membentuk operon lac, karena mereka sebenarnya terletak “hulu” dari yang terakhir dan ditranskripsi menjadi RNA pembawa pesan yang berbeda.

Skema operon lac (Sumber: Barbarossa di Wikipedia Belanda [CC BY-SA (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)] melalui Wikimedia Commons)

Strain bakteri yang memiliki lacImutation “secara konstitutif” mengekspresikan gen lacZ, lacY dan lacA, yang terjadi terlepas dari ada atau tidak adanya laktosa di lingkungan ekstraseluler.

Banyak dari pengamatan ini dikuatkan dengan mentransfer gen lacI + dan lacZ + ke sel bakteri yang tidak menghasilkan protein yang dikodekan oleh gen-gen ini dalam media bebas laktosa.

Karena bakteri “berubah” dengan cara ini hanya menghasilkan enzim -galaktosidase dengan adanya laktosa, percobaan menegaskan bahwa gen lacI penting untuk regulasi ekspresi operon lac.

Fungsi

Operon lac mengatur transkripsi gen yang diperlukan bakteri untuk mengasimilasi laktosa sebagai sumber karbon dan energi. Namun, transkripsi gen ini hanya terjadi ketika sumber energi utama sesuai dengan karbohidrat tipe galaktosida.

Dalam sel bakteri ada mekanisme yang mengatur ekspresi gen operon lac ketika mereka berada di hadapan glukosa atau gula lain yang lebih mudah untuk dimetabolisme.

Metabolisme gula-gula ini melibatkan pengangkutannya ke bagian dalam sel dan pemecahan atau pemrosesan selanjutnya.

Laktosa digunakan sebagai sumber energi alternatif bagi bakteri, membantu mereka bertahan hidup bahkan setelah sumber energi lain di lingkungan seperti glukosa habis.

Model operon lac adalah sistem genetik pertama dari jenisnya yang dijelaskan dan dengan demikian menjadi dasar untuk menggambarkan banyak operon lain dalam genom berbagai jenis mikroorganisme.

Dengan mempelajari sistem ini, banyak kemajuan telah dicapai dalam memahami fungsi protein tipe “penekan” yang mengikat DNA. Ada juga kemajuan dalam pemahaman enzim alosterik dan bagaimana mereka bertindak secara selektif ketika mengenali satu atau lain substrat.

Kemajuan penting lainnya yang muncul dari studi operon lac adalah pembentukan peran penting yang dimainkan oleh RNA pembawa pesan dalam menerjemahkan instruksi yang ditemukan dalam DNA dan juga sebagai langkah sebelumnya untuk sintesis protein.

Referensi

  1. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). Pengantar analisis genetik. Macmillan.
  2. Hartwell, L., Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, LE, & Aquadro, CF (2008). Genetika: dari gen ke genom (hal. 978-0073227382). New York: McGraw-Hill.
  3. Lewis, M. (2013). Allostery dan lac Operon. Jurnal biologi molekuler , 425 (13), 2309-2316.
  4. Müller-Hill, B., & Oehler, S. (1996). Operon lac (hlm. 66-67). New York :: Walter de Gruyter.
  5. Parker, J. (2001). lac Operon.
  6. Yildirim, N., & Kazanci, C. (2011). Simulasi deterministik dan stokastik dan analisis jaringan reaksi biokimia: Contoh operon laktosa. Dalam Metode dalam enzimologi (Vol. 487, hlm. 371-395). Pers Akademik.