Jurnal Ilmiah Ibnu Sina, 7(1), Maret 2022, 109-115 p-ISSN: 2502-647X; e-ISSN: 2503-1902

## DAMPAK KADMIUM DAN MERKURI TERHADAP METABOLISME KARBOHIDRAT: KAJIAN IN SILICO PADA ENZIM GLIKOGEN SINTASE DAN FOSFOFRUKTOKINASE
Azka Lahdimawan 1 , Siti Arika Bulan 1 , Eko Suhartono 2* ,
Bambang Setiawan 2
1 Fakultas Kedokteran, Universitas Lambung Mangkurat, Banjarmasin, Indonesia
2 Departemen Biokimia dan Biomolekuler, Fakultas Kedokteran, Universitas Lambung Mangkurat, Banjarbaru, Indonesia
*Email: ekoantioxidant@gmail.com
Artikel diterima: 27 November 2021; Disetujui: 15 Maret 2022 DOI: https://doi.org/10.36387/jiis.v7i1.836

## ABSTRAK
Kadmium  (Cd)  dan  Merkuri  (Hg)  adalah  logam  berat  dengan  sitotoksisitas tinggi, berimplikasi sebagai penyebab peradangan kronis, stres oksidatif, obesitas, hiperglikemia,  dan  bahkan  diabetes.  Paparan  jangka  panjang  Cd  dan  Hg  dapat mempengaruhi  enzim  yang  terlibat  dalam  metabolisme  karbohidrat,  pada  proses glikolisis  dan  glikogenesis.  dengan  mengubah  struktur  dan  aktivitas  enzimatik protein yang dapat menyebabkan efek toksik pada enzim yang terlibat didalamnya termasuk  glikogen  sintase  (GS),  yang  dapat  menyebabkan  penipisan  kandungan glikogen  dan  berpotensi  membatasi  proses  glikolisis  di  hati  dan  otot  dengan menurunkan  fosfofruktokinase  (PFK)  aktivitas  enzim.  Belum  banyak  penelitian yang menjelaskan interaksi antara Cd dan Hg pada enzim GS dan PFK. Untuk itu, penelitian ini dilakukan dengan menggunakan in silico. Struktur enzim diperoleh dari RCSB Protein Data Bank (http://www.rcsb.org) dengan kode berikut, GS (PDB ID: 1RZV) dan PFK (PDB ID: 4WLO). Interaksi antara Cd dan Hg dengan enzim ini  digunakan  oleh  MIB:  prediksi  situs  Pengikat  Ion  Logam  dan  server  docking (http://bioinfo.cmu.edu.tw/MIB/). Interaksi antara Cd dan asam amino dari protein target  divisualisasikan  pada  UCSF  Chimera  1.14.  Hasil  penelitian  menunjukkan bahwa Hg berinteraksi dengan residu asam amino pada tapak aktif enzim glikogen sintase pada ujung domain terminal-C, yakni pada 3 residu sistein  Cys 295, cys 366, dan cys 390. Semetara itu Cd dan Hg tidak berinteraksi dengan residu asam amino  pada  sisi  aktif  enzim  fosfofruktokinase,  tetapi  berinteraksi  pada  struktur protein penyusun enzim.
Kata kunci: Kadmium, Fosfofruktokinase, Glikogen sintase, Merkuri, Metabolisme karbohidrat

## ABSTRACT
Cadmium  (Cd)  and  Mercury  (Hg)  is  a  heavy  metal  with  high  cytotoxicity, implicated  as  causes  of  chronic  inflammation,  oxidative  stress,  obesity, hyperglycemia, and even diabetes. The long-term exposure of Cd and Hg can affect enzymes  involved  in  carbohydrate  metabolism,  on  the  process  of  glycolysis  and
Jurnal Ilmiah Ibnu Sina, 7(1), Maret 2022, 109-115 p-ISSN: 2502-647X; e-ISSN: 2503-1902
glycogenesis. by changing the structure and enzymatic activity of proteins which can  cause  toxic  effects  on  enzymes  involved  therein  including  glycogen  synthase (GS),  which  can  cause  glycogen  content depletion  and  has  potential  to  limit  the glycolysis  process  in  liver  and  muscles  by  decreasing  the  phosphofructokinase (PFK)  enzyme  activity.  There  are  not  many  studies  that  explain  the  interactions between Cd and Hg on GS and PFK enzymes. For this reason, this research was carried  out  using  in  silico.  The  structure  of  the  enzymes  was  obtained  from  the RCSB Protein Data Bank (http://www.rcsb.org) with the following code, GS (PDB ID: 1RZV) and PFK (PDB ID: 4WLO).  The interactions between Cd and Hg with these enzymes were used by MIB: Metal Ion-Binding site prediction and docking server  (http://bioinfo.cmu.edu.tw/MIB/).  The  interactions  between  Cd  and  amino acids  of  targeted  protein  were  visualized  on  UCSF  Chimera  1.14.  The  results showed  that  Hg  interacted  with  amino  acid  residues  at  the  active  site  of  the glycogen synthase enzyme at the end of the C-terminal domain, namely at 3 cysteine residues Cys 295, cys 366, and cys 390. Meanwhile, Cd and Hg did not interact with amino acid residues. on the active site of the phosphofructokinase enzyme, but interacts with the protein structure of the enzyme.
Keywords:  Cadmium,  Carbohydrate  metabolism,  Glycogen  synthase,  Mercury,

## Phosphofructokinase

## PENDAHULUAN
Logam berat merupakan logam yang memiliki nomor atom 21 hingga 92  pada  sistem  periodik.  Kadmium
(Cd)  dan  Merkuri  (Hg)  termasuk logam berat dapat menjadi penyebab peradangan  kronis,  stres  oksidatif, obesitas,  hiperglikemia,  diabetes  dan lain-lain (Chen, et al ., 2009).
Kadmium  dapat  mengganggu
penyerapan  kalsium,  mempengaruhi homeostasis glukosa dan menginduksi hiperglikemia. Sementara itu, merkuri (Hg) memiliki terbukti  memiliki  efek  buruk  pada
perkembangan  dan  fungsi  sel  beta
pankreas (β), mengakibatkan
resistensi  insulin  dan  hiperglikemia dan  bahkan  dapat  mengarah  pada diabetes (Schumacher, 2017; Tsai, et al ., 2019))
Kadmium  (Cd)  dan  Merkuri (Hg)  bekerja  melalui  pengikatan gugus  sulfhidril  pada  protein  enzim, mengubah  struktur  enzim  sehingga aktivitasnya  akan  menurun  bahkan tidak  aktif.  (Jeon, et  al .,  2015).
Patomekanisme  keterlibatan  Cd  dan Hg  sebagai  diabetes  masih  belum sepenuhnya diketahui. Kadmium dan Merkuri diduga terlibat dalam
metabolisme karbohidrat melalui
glikolisis dan glikogenesis.  (Palm, et al ., 2013).
Meski demikian,
Jurnal Ilmiah Ibnu Sina, 7(1), Maret 2022, 109-115 p-ISSN: 2502-647X; e-ISSN: 2503-1902
mekanisme  pengikatannya  masih belum diketahui. (Ramírez-Bajo,
2014). Oleh karena  itu, pada
penelitian ini akan diungkap interaksi
Cd  dan  Hg  terhadap  enzim-enzim yang  terlibat  dalam  metabolisme glukosa,  yakni  enzim  glukogen sintase dan fosfofruktokinase.

## METODE PENELITIAN

## Persiapan Ligan dan Protein
Protein  enzim  diperoleh  dari
RCSB Protein Data Bank (https://www.rcsb.org/search),  yakni enzim  glikogen  sintase  dengan  kode PDB: 1RZV dan enzim
fosfofruktokinase dengan kode PDB:
4WLO.  Protein  disiapkan  dengan menghilangkan  residu  ligan  alami yang  ada  dalam  protein.  Persiapan ligan  dan  protein  digunakan  oleh
program Chimera 1.15
(https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/d ownl oad.html).

## Analisis dan Visualisasi
Analisis  interaksi  logam  dan enzim  digunakan  MIB:  Metal  Ion-
Binding site prediction (http://bioinmfo.cmu.edu.tw/MIB/). dan visualisasi hasil docking
menggunakan program Chimera 1.14
(https://www.cgl.ucsf.edu/chimera/d ownlod.html). (Komari, et al., 2020 )

## HASIL DAN PEMBAHASAN
(a) (b)
Gambar 1 . Interaksi dengan logam Kadmium dan Mekuri pada (a) enzim Glikogen sintase (PDB: 1RZV) dan  (b) enzim Fosfofruktokinase (PDB: 4WLO)
Hasil analisis dari jenis
interaksi, panjang ikatan, jenis residu asam  amino  dan  residu  asam  amino dengan binding  score tertinggi  pada website MIB  yang  didapatkan  dari penambatan  logam  Cd  dan  Hg terhadap  enzim  glikogen  sintase (1RZV)  fosfofruktokinase  (4WLO). Interaksi  antara  Cd  dan  Hg  terhadap enzim glikogen sintase dan
fosfofruktokinase  dapat  dilihat  pada
Jurnal Ilmiah Ibnu Sina, 7(1), Maret 2022, 109-115 p-ISSN: 2502-647X; e-ISSN: 2503-1902
Gambar  1,  sedangkan  interaksinya disajikan pada Tabel 1.
Berdasarkan  gambar  1  dan  2, terlihat bahwa Cd dan Hg menempati posisi  yang  berbeda  dari  tapak  aktif dari  masing-masing  enzim.  Jika dilihat  dari  tabel  1,  Hg  berinteraksi lebih  banyak  pada  enzim  glikogen sintase  dibandingkan  Cd.  Sementara itu, Cd dan Hg memiliki potensi yang sama  dalam  berinteraksi  dengan
enzim  fosfofruktokinase.    Pada  tabel 1  juga  menunjukkan  binding  score Hg  lebih  besar  daripada  Cd  pada enzim glikogen sintase. Hal ini berarti kebolehjadian Hg terikat pada residu asam  amino  lebih  besar  daripda  Cd. Sementara  itu,  Cd  dan  Hg  memiliki potensi yang sama dalam pengiktatan pada    residu  asam  amino  enzim fosfofruktokinase.
Tabel 1. Interaksi Cd dan Hg  trehadap enzim glikogen sintase dan fosfofruktokinase Logam Berat Enzim Residu Asam Amino Jarak Interaksi Binding Score Kadmium  Glikogen sintase (1RZV) ASN 264 2.203 Å Ikatan kovalen koordinasi 1.734 ASP 263 7.001 Å Ikatan hidrofobik Fosfofruktokinase (4WLO) SER 309 3.461 Å Ikatan hidrofobik 7.908 GLU 312 2.424 Å Ikatan kovalen koordinasi Merkuri Glikogen sintase (1RZV) CYS 295 2.296 Å Ikatan Kovalen Koordinasi 1.136 CYS 366 3.780 Å Ikatan Hidrofobik 6.562 CYS 390 2.708 Å Ikatan Kovalen Koordinasi 6.562 Fosfofruktokinase (4WLO) HIS 131 5.877 Å Ikatan Hidrofobik 6.562 CYS 132 2.941 Å Ikatan Kovalen Koordinasi 6.562 Metabolisme karbohidrat meliputi glikolisis, glikogenesis,
glikogenolisis,  dan  glukoneogenesis.
Glikolisis  adalah  jalur  pemecahan glukosa  menjadi piruvat  dalam
keadaan aerob atau asam laktat dalam keadaan anaerob, sedangkan glikogenesis adalah proses penyimpanan glukosa. Glikogen
dapat  dengan  cepat  dipecah  untuk menghasilkan  glukosa  yang  diatur oleh  enzim  glikogen  sintase.  Enzim- enzim  tersebut  dapat  berinteraksi dengan  logam  berat  dan  berikatan dengan sisi aktif maupun dengan  sisi alosterik enzim. (Mul, et al ., 2015)
Enzim glikogen sintase memiliki dua situs pengikatan
Jurnal Ilmiah Ibnu Sina, 7(1), Maret 2022, 109-115 p-ISSN: 2502-647X; e-ISSN: 2503-1902
substrat  akseptor  yang  berbeda
(gambar  2),  dua  domain  lipatan tersebut dinamakan lipatan Rossmann ( Rossmann-fold ).  Pada  domain  ini terdiri  dari  situs  katalitik  dan  situs
pengikatan polisakarida, yaitu domain  terminal-N  (residu  1–244) dan  domain  terminal-C  (residu  271– 456)  dengan  celah  yang  dalam  di antara  kedua  domain  sebagai  pusat katalitik.  (Buschiazzo, et  al .,  2004;
Martz, 2021).
Gambar 2. Situs pengikatan substrat pada enzim glikogen sintase
Hasil penelitian ini
menunjukkan  bahwa  Hg  berinteraksi dengan  residu  tapak  aktif  enzim glikogen  sintase  pada  ujung  domain terminal-C,  yakni  pada  3  residu sistein Cys 295, cys 366, dan cys 390. Interaksi  Hg  dengan  situs  katalitik enzim glikogen sintase, menyebabkan
tidak penghambatan
pertautan
 (1 → 4) di dalam glikogen, sehingga
terjadi penumpukan glukosa di dalam darah.  Selain  itu,  enzim  glikogen sintase berperan dalam elongasi rantai glukosa yang ada di dalam sel hepar, sehingga inaktivasi enzim ini menyebabkan produksi glikogen menurun  dan  glukosa  menumpuk. Penumpukan  glukosa  menyebabkan hiperglikemia  yang  dapat  memicu diabetes.
Hasil  penelitian  ini  sejalan dengan  penelitian  Sabir  et  al  (2019) yang  menyatakan  bahwa  logam
memiliki afinitas yang tinggi sehingga dapat mempengaruhi struktur enzim. Sisi aktif enzim yang
mengandung  gugus  sufhidril  dari residu  sistein  akan  mengikat  secara kovalen  dengan  logam.  Afinitas tinggi merkuri untuk gugus sulfhidril dari situs katalitik enzim adalah motif utama  yang  umum  diketahui  dalam inaktivasi enzim. (Xu, et al ., 2014)
Pada struktur enzim
fosfofruktokinase,  situs  ATP terletak di antara heliks (residu 102-108) dan permukaan  lingkaran  antara  heliks  3 dan  4  (residu  72-77).  Ada  tiga  situs pengikatan  ligan  per  subunit,  yakni dua membentuk situs aktif (mengikat fruktosa-6-fosfat  dan  ATP)  dan  satu
Jurnal Ilmiah Ibnu Sina, 7(1), Maret 2022, 109-115 p-ISSN: 2502-647X; e-ISSN: 2503-1902
situs pengikatan alosterik,
diantaranya  ASP  127  dan  ARG  171
(Evans, et al ., 1981). Pada penelitian
ini,  Cd  dan  Hg  tidak  berinteraksi dengan  residu  asam  amino  pada  sisi aktif  enzim,  tetapi  berinteraksi  pada struktur  protein  penyusun  enzim.
Perubahan struktur enzim fosfofruktokinase diduga dapat
mengganggu aktivitas katalitik enzim tersebut. Enzim ini mentransfer gugus fosfat  dari  ATP  untuk  membentuk fruktosa-1,6-bifosfat  (Kloos  et  al., 2015).  Penelitian  Suhartono  et  al (2021),  yang  menyatakan  bahwa  Hg lebih  reaktif  dibandingkan  Cd  pada enzim-enzim reaksi glikolisis, karena merkuri memiliki jari-jari atom yang lebih besar daripada kadmium.
Afinitas  pengikatan  Hg  terhadap sistein  lebih  tinggi  dibandingkan  Cd terhadap  asparagin  (Asn)  dan  asam aspartat  (Asp).  Hal  ini  menunjukkan peran reaktivitas tiol yang lebih tinggi dalam  toksisitas  Hg  (Roos, et  al .,
2010).

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  penelitian, disimpulkan  bahwa  Hg  berinteraksi dengan  residu  asam  amino  pada
enzim  glikogen  sintase  pada  ujung domain  terminal-C,  yakni  pada  3 residu sistein  Cys 295, cys 366, dan cys 390. Semetara itu Cd dan Hg tidak berinteraksi  dengan  residu  asam amino pada sisi aktif enzim fosfofruktokinase,  tetapi  berinteraksi pada  struktur  protein  penyusun enzim.

## DAFTAR PUSTAKA
Buschiazzo  A,  Ugalde  JE,  Guerin ME,  Shepard  W,  Ugalde  RA, Alzari PM. Crystal structure of glycogen synthase: Homologous  enzymes  catalyze glycogen synthesis and degradation. EMBO J. 2004;23(16):3196–205. Chen  YW,  Yang  CY,  Huang  CF, Hung DZ, Leung YM, Liu SH.
Heavy metals, islet function and diabetes  development.  Islets. 2009; 1(3):169-76 Evans,  P.  R.,  Farrants,  G.  W.,
Hudson,  P.  J.,  Britton,  H.  G., Phillips, D. C., Blake, C. C. F., & Watson, H. C. (1981). Phosphofructokinase: structure and control. Philosophical  Transactions  of the Royal Society of London. B, Biological Sciences, 293(1063), 53-62. doi:10.1098/rstb.1981.0059 Jeon  JY,  Ha  KH,  Kim  DJ.  New  risk factors for obesity and diabetes: Environmental  chemicals.  J Diabetes Investig. 2015;6(2):109–11.
Jurnal Ilmiah Ibnu Sina, 7(1), Maret 2022, 109-115 p-ISSN: 2502-647X; e-ISSN: 2503-1902
Kloos M, Brüser A, Kirchberger J, et al.  Crystal  structure  of  human platelet  phosphofructokinase-1 locked in an activated conformation. Biochemical Journal. 2015;469(3):421-32. Komari  N,  Suhartono  E.  Cadmium binding to antioxidant enzymes: In  silico  study.  IOP  Conf  Ser Mater Sci Eng. 2020;980(1). Martz E. Demonstration : Noncovalen bond finder. Molviz Organization. 2021. Mul JD, Stanford KI, Hirshman MF,
Goodyear  LJ.  Exercise  and Regulation  of  Carbohydrate Metabolism.  Prog  Mol  Biol
Transl Sci. 2015;135:17–37. Palm DC, Rohwer JM, Hofmeyr JHS. Regulation of glycogen synthase from mammalian skeletal  muscle  -  A  unifying view  of  allosteric  and  covalent regulation. FEBS J. 2013;280(1):2–27. Ramírez-Bajo  MJ,  de  Atauri  P, Ortega  F,  et  al.  Effects  of cadmium  and  mercury  on  the upper  part  of  skeletal  muscle glycolysis  in  mice.  PloS  one.
2014;9(1):e80018.
Roos  DH,  Puntel  RL,  Lugokenski TH, Ineu RP, Bohrer D, Burger
ME, et al. Complex methylmercury-cysteine  alters mercury accumulation in different tissues of mice. Basic Clin Pharmacol Toxicol. 2010;107(4):789–92. Sabir  S,  Akash  MSH,  Fiayyaz  F, Saleem  U,  Mehmood  MH, Rehman  K.  Role  of  cadmium and arsenic as endocrine
disruptors in the metabolism of carbohydrates:  Inserting  the association  into  perspectives. Biomed Pharmacotherapy. 2019;114:108802. Schumacher L, Abbott LC. Effects of methyl  mercury  exposure  on pancreatic beta cell development  and  function.  J Appl  Toxicol.  2017;37(1):4– 12. Suhartono E, Komari N, Siahaan SC. Interaksi Merkuri dan Kadmium terhadap Enzim Kunci pada Glikolisis in Silico. Jurnal Ilmiah Kedokteran Wijaya Kusuma. 2021;10(2):253-60. Tsai TL, Kuo CC, Pan WH, Wu TN, Lin  P,  Wang  SL.  Type  2 diabetes occurrence and mercury  exposure  –  From  the
National  Nutrition  and  Health Survey in Taiwan. Environ Int].
2019;126:260–7. Xu X, Mathieu C, Boitard SE, Dairou J, Dupret JM, Agbulut O, et al. Skeletal muscle glycogen phosphorylase  is  irreversibly inhibited by mercury: Molecular,  cellular  and  kinetic aspects. FEBS Lett. 2014;588(1):138–42.