## Studi Interaksi Molekuler UGPase pada Tanaman Umbi Berdasarkan Keberadaan Glukomanan
Muhammad Badiul Ulum, Estri Laras Arumingtyas, Nia Kurniawan Jurusan Biologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universtitas Brawijaya

## ABSTRAK
UGPase merupakan enzim kunci yang memengaruhi terbentuknya polisakarida dengan ikatan β 1 - 4  glukosida.  Interaksi  enzim  UGPase  dengan  subtrat  (UDP-Glukosa)  pada  beberapa  spesies  tanaman umbi terdapat  perbedaan. Berdasarkan  hal itu, tujuan  penelitian  ini adalah  untuk  mengetahui interaksi UGPase  dan  UDP-G  pada  beberapa  tanaman  umbi.  Hasil  molecular  docking  menunjukkan  interaksi catalytic domain dari enzim UGPase  yang  berikatan dengan UDP-G  pada  substrate binding  loop,  dengan total ΔG pada A. konjac paling rendah yaitu -5,06 kcal/mol diikuti  oleh I. batatas dan S. tuberosum secara berturut-turut sebesar -4,60 dan -3,73 kcal/mol  dan distabilkan dengan dua tipe interaksi yaitu interaksi elektrostatik dan hidrogen pada A. konjac dan I. Batatas, serta interaksi hidrofobik pada S. tuberosum.
Kata kunci: interaksi, UDP-Glukosa, UGPase.

## ABSTRACT
UGPase  is  an  enzyme  that  affect  the  conformation  of  polysaccharide  with β  1 -4  bond.  There  are some differences interaction of UGPase enzyme with UDP-Glucose substrate in some tuber plants. So, the aim  of  this  research  are  to  observe  the  interaction  of  UGPase  and  UDP-G  in  some  tuber  plants  and  to observe  the  relationship  among  tuber  plant  based  on  UGPase  sequence.  Result  of  molecular  docking shows the catalytic domain interaction of UGPase and UDP-G in substrate binding loop, lower ΔG obtain from  A.  konjac  is  -5.06  kcal/mol,  following  by  I.  batatas  and  S.  tuberosum  is  -4,60  dan  -3,73  kcal/mol respectively. Interaction was stabilize by some interaction type, there are electrostatic and hydrogen in A. konjac and I. batatas, and hydrophobic in S. tuberosum.
Key words : interaction, UDP-Glucose, UGPase

## PENDAHULUAN
Umbi  merupakan  bagian  yang  digunakan sebagai tempat menyimpan cadangan makanan bagi  beberapa  jenis  tanaman.  Pembentukan cadangan  makanan  pada  tanaman  umbi menghasilkan jenis polisakarida  yang berbeda- beda,  seperti  pati,  selulosa,  manan  dan glukomanan.  Glukomanan  merupakan  serat alami  yang  dapat  difermentasi,  bersifat  larut dalam  air  dan  tidak  mengandung  kalori sehingga  baik  untuk  dikonsumsi.  Glukomanan tersusun  atas  D-glukosa  dan  D-mannosa dengan  ikatan  β  1 -4  glukan.  Secara  umum, pembentukan  polisakarida  pada  umbi  adalah melalui  glikolisis  yang  akan  menghasilkan UDP-Glukosa.  UDP-Glukosa  dikatalis  oleh enzim  sukrosa  sintase  dan  UDP-D-Glukosa- pyrophosphorilase  (UGPase)  [1].  UGPase merupakan  enzim  kunci  yang  memengaruhi terbentuknya  polisakarida  dengan  ikatan  β  1 -4 dan  termasuk  dalam  famili  glikosiltransferase dengan  status  struktur  3D  A  (GT-A)  yang
membentuk  konfigurasi  anomerik  inverting (UDP-Glukosa  β -glukosida) [2].
Interaksi  antara  enzim  UGPase  dan substrat
UDP-G menentukan produk
polisakarida yang akan dihasilkan yaitu berupa cellulosa fibril (glukomanan), mixed  link glucan dan glucuronoarabinoxylan [3].
Interaksi  antara  UGPase  dengan  UDP-G terletak  pada nucleotide  binding  loop Gly87- Lys99  dan sugar  binding  loop Thr248- Ile261[4].  Tujuan  yang  ingin  dicapai  pada penelitian  ini  yaitu  mengetahui  interaksi UGPase  dengan  UDP-G  pada  beberapa tanaman  umbi  dan  mengetahui  variasi  genetik beberapa  tanaman  umbi  berdasarkan  interaksi UGPase dengan UDP-G.

## METODOLOGI
Pengambilan  Data. Identifikasi conserve domain UGPase menggunakan software pencarian Conserve Domain Database (CDD), software  ini  berfungsi  untuk  menunjukkan
keterangan  conserve  domain  suatu  protein berdasarkan  homologi  sekuen  yang  ada  pada database GeneBank (http://www.ncbi.nlm. nih.gov/Structure/cdd/wrpsb.cgi), kemudian
dimasukkan kata kunci UGPase
Amorphophalus  konjac , Ipomoea  batatas, dan Solanum  tuberosum pada  kolom  search, kemudian  didapatkan  data  sekuen  yang memiliki conserve  domain dengan  template domain  yang  sama,  sekuen  disimpan  dalam format FASTA.
Modeling  Struktur  3D  UGPase. Prediksi struktur  3D  dilakukan  pada  sekuen  UGPase yang telah didapatkan dari genebank (http://www.ncbi.nlm.nih.gov), modeling dilakukan  dengan mode  automated pada Swissmodel (http://swissmodel.expasy.org),
screening model dilakukan  dengan cara dilihat jumlah  persentase  identitas  sekuen  model dengan  template,  kemudian  dilihat  stabilitas protein  menggunakan  program  Web  service ProCheck _ (http://nihserver.mbi.ucla.edu/SAV ES_3). Alignment struktur model 3D dilakukan untuk mengetahui perbedaan struktur pada beberapa protein target, alignment  3D  dilakukan  dengan  metode superimpose  menggunakan  program  PyMol (for educational only).
Molecular  Docking. Model  protein  UGPase yang  telah  diketahui  strukturnya  diprediksikan sisi  pengikatan  dengan  UDP-G  menggunakan metode  molecular  docking  dengan  webservice (http://dockingserver.com), skoring pada program ini yang digunakan adalah AutoDock4.  Hasil  yang  akan  diperoleh  adalah jumlah energy bebas dan interaksi asam amino antara UGPase dengan UDP-G.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Model  3D  UGPase  dan  UDP-G  pada Beberapa Tanaman Umbi. Modeling molekul  3D  penting  untuk  dilakukan  dalam mempelajari fungsi enzim secara komprehensif, salah satunya untuk mengetahui interaksi  dan  hubungan  antara  enzim  dengan ligan. Modeling yang telah dilakukan menggunakan homologi modeling dari Swissmodel,  hasil  menunjukkan  pada A. konjac,  I.  batatas  dan  S.  tuberosum memiliki nilai  similaritas  dengan  template ≥ 75  % (Gambar  1).  Template  yang  digunakan  adalah 2ICY  yang  merupakan  struktur  UGPase  yang sudah dikristalkan dengan substrat UDP-G [4].
Gambar  1. Model  3D  makromolekul  UGPase  (a) A.  konjac,  (b)  I.  batatas,  (c)  S.  tuberosum  dan  (d) model 3D UDP-G (Ligan).
Model  yang  didapatkan  dari  hasil homologi modeling perlu  dilakukan  validasi  stabilitas struktur  makromolekulnya,  sehingga  dapat menggambarkan  struktur  yang  sesuai  dengan struktur  asli  yang  sudah  ada.  Hasil  validasi pada  makromolekul  UGPase  menunjukkan nilai  residu  pada most  favoured  region yang berbeda pada tiap spesies  yaitu pada A. konjac sebesar  91,9  %, I.  batatas sebesar  90,4  %  dan S. tuberosum sebesar 90,4 %, struktur 3D yang memiliki  nilai ≥ 90  %  menunjukkan  indikator kualitas stereochemical dan  kalkulasi  struktur sekunder  yang  baik  dari  suatu  struktur  protein dengan  konformasi  yang  stabil  [5].  Validasi model 3D menggunakan ProCheck menunjukkan  bahwa  penyebaran  sudut  psi  φ dan  phi  ψ  dapat  menentukan  kemungkinan konformasi  protein  pada  suatu  polipeptida yang relatif kecil [6].
Perbedaan  Interaksi  UGPase  dengan  UDP- G  pada  Beberapa  Tanaman  Umbi. Interaksi antara  UGPase  dan  UDP-G  terletak  pada nucleotide  binding  loop Gly87-Lys99  dan sugar  binding  loop Thr248-Ile261  pada Arabidobsis thaliana [4].
Gambar 2. Struktur 3D UGPase [7].
c. a. d. b.
Hasil  visualisasi  interaksi  antara  enzim UGPase  pada  beberapa  tanaman  umbi  dengan ligan yang sama menunjukkan active site yang berbeda antara A. konjac dengan I. batatas dan S.  tuberosum . Active  site pada A.  konjac terletak  pada  gugus  asam  amino  Met142, Asn228,  Asp230  dan  Gln170,  pada I.  batatas His100, Asn128 dan Gln70, sedangkan pada S. tuberosum Val175  dan  Ile199  (Tabel  1).
Namun  seperti  yang  telah  diketahui  bahwa pembentukan  glukomanan  terjadi  pada A. konjac ,  maka  dapat  dikatakan  bahwa active site yang  terdapat  pada A.  konjac merupakan active  site yang  menjadi  kunci  terbentuknya glukomanan.  Ketidakmampuan I.  batatas dan S.  tuberosum dalam  membentuk  glukomanan diduga  karena active  site yang  berbeda dibandingkan dengan A. konjac .
Tabel  1.  Interaksi  antara  UGPase  dengan substrat UDP-G.
Model Interaksi 3D Energi (kcal/mol) Tipe interaksi Ikatan Hidrogen Polar  Hidrofobik A. konjac ΔG = -5,06 Met142 Gln170 Asn228 Asp230 I. batatas ΔG = -4,60 His100 Asn128 Gln70 S. tuberosum ΔG = -3,73 Val175 Ile199
Asam  amino  UGPase  dan  UDP-G berinteraksi  dengan  tiga  tipe  interaksi,  yaitu ikatan hidrogen, polar dan hidrofobik. Interaksi antar protein bisa terjadi karena ada komplementer bentuk, ikatan hidrogen, interaksi  hidrofobik  dan  interaksi  elektrostatik yang  terjadi  antar  asam  amino  [8].  Interaksi hidrofobik antar rantai-rantai samping nonpolar  dari  residu  asam  amino  merupakan alasan  utama  protein  melipat  dan  berinteraksi membentuk  struktur  yang  khas.  Suatu  protein ketika berinteraksi dengan protein  lain distabilkan  secara  eksklusif  oleh  interaksi  non kovalen [9].
Bentuk  interaksi  antara  UGPase  dengan substrat  UDP-G. Perbedaan  produk  yang dihasilkan dari substrat UDP-G dapat dikarenakan perbedaan lokasi terjadinya proses komplek  enzim  dan  subtrat  di  dalam  sel  dan atau  modifikasi  hasil  translasi.  Pembentukan
glukomanan  terjadi  melalui  ikatan  1-4  antara GDP  glukosa  dan  GDP  manosa  [1]. Complex interaksi  enzim  UGPase  dengan  UDP-G  yang memiliki global  energy paling  rendah  yaitu pada A. konjac sebesar    -5,06 kcal/mol diikuti oleh I.  batatas dan S.  tuberosum secara berturut-turut sebesar -4,60 dan -3,73 kcal/mol. Nilai global  energy (ΔG) tersebut  merupakan energi  bebas  yang  penting  dalam  perhitungan nilai  konstanta  dari  kecepatan  reaksi,  dan merupakan parameter kekuatan afinitas pengikatan  ligan  terhadap  reseptor.  Semakin rendah harga ΔG, ikatan ligan  dengan reseptor akan semakin stabil [10].

## KESIMPULAN
Interaksi  enzim  UGPase  dengan  UDP-G berbeda antara A. konjac dengan I. batatas dan S.  tuberosum . Active  site pada A.  konjac terletak  pada  gugus  asam  amino  Met142, Asn228,  Asp230  dan  Gln170,  pada I.  batatas His100,  Asn128  dan  Gln70  dan  pada S. tuberosum Val175  dan  Ile199.  Global  energy pada A.  konjac paling  rendah  yaitu  -5,06 kcal/mol  diikuti  oleh I.  batatas dan S. tuberosum secara berturut-turut sebesar   -4,60 dan -3,73 kcal/mol.

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Gille,  S.,  Cheng,  K.,  Skinner,  M.  E., Liepman, A. H., Wilkerson, C. G., & Pauly,  M.  (2011).  Deep  sequencing of  voodoo  lily  ( Amorphophallus konjac ):  an  approach  to  identify relevant  genes  involved  in  the synthesis of the hemicellulose glucomannan. Planta , 234(3), 515-26
[2].  Lairson  LL,  Henrissat  B,  Davies  GJ,
Withers SG (2008) Glycosyltransferases: structures, functions,  and  mechanisms. Annu Rev Biochem . 77:521-555
[3].  Keeling,  P.  L.,  &  Myers,  A.  M.  (2010). Biochemistry  and  genetics  of  starch synthesis. Annual  review  of  food science  and  technology ,  1,  271-303. doi:10.1146
[4].  McCoy,  J.  G.,  Bitto,  E.,  Bingman,  C.  A., Wesenberg,  G.  E.,  Bannen,  R.  M., Kondrashov,  D.  A.,  &  Jr,  G.  N.  P.
(2007).  Structure  and  Dynamics  of UDP-Glucose
Pyrophosphorylase
from Arabidopsis  thaliana with Bound  UDP-Glucose  and  UTP. NIH Public Access , 366(3), 830-841.
[5].  Dym,  O.,  Eisenberg,  D.  and  Yeastes  O. 2006.  Detection  of  Errors  in  Protein Models.  International  Tables  for Crystallography.  Vol.  F,  Section 21.3.2, p. 520.
[6]  Rachmayati,  A.R., Rahmat,  K.,  Indriastuti, M.,  Wulandari.  2010.  Gaya-Gaya yang  Terlibat  dalam  Denaturasi Protein.  Program  Keahlian  Analisis Kimia  Direktorat  Program  Diploma.
Institut Pertanian Bogor (IPB).
[7].  Kleczkowski,  L.  A.,  Geisler,  M.,  Fitzek, E.,  &  Wilczynska,  M.  (2011).
REVIEW  ARTICLE  A  common structural  blueprint  for  plant  UDP- sugar-producing pyrophosphorylases, 379,  375–379.  doi:10.1042/BJ201 10730 [8].Andrea,  S.  2010.  Protein  Prediction:
Binding Site Analysis. TU München.
Germany.
[9]. Murray, R.K., Granner, D.K. and Rodwell, V.W.  2009.  Biokimia  Harper.  Alih Bahasa,  Brahm  U.  Pendit;  editor edisi bahasa indonesia, Nanda Wulandari..[et  al.]  ed.27.  jakarta: EGC, 2009. [10].Pebriana, R.B., Romadhon,
A.F. Yunianto, A., Rokhman, M.R., Fitria N.Q., Jenie,  R.I., Meiyanto, E. 2008. Docking  of  Curcumin  and  its Analogues on Progesterone Receptor:  Interaction  Studies  for Selective Progesterone Receptor Modulators (SPRMS). PHARMACON. Vol. 9, No.1.14-20.