Thursday, August 8, 2013

Perbedaan dan Hubungan Biosintesis Terpenoid Jalur Mevalonat (MVA) dan Non- Mevalonat (MEP)

Review Jurnal

Oleh : Made Rai Dwitya Wiradiputra & I Gusti Ayu Nyoman Suastini (2013)

 

  http://5e.plantphys.net/images/ch20/wt2003b_s.jpg

Image source : http://plantphys.net

Semua terpenoid dihasilkan melalui biosintesis dua prekursor universal C5 yaitu IPP dan isomernya DMAPP. Terpenoid dibedakan menjadi beberapa kelompok berdasarkan jumlah unit C5 yang menyusunnya. Terdapat dua jalur biosintesis terpenoid berdasarkan pembentukan prekursor C5 IPP dan DMAPP yaitu jalur asam mevalonat dan non mevalonat.

1.1     Perbedaan Biosintesis Terpenoid Jalur MVA dan MEP
Terdapat beberapa perbedaan pada dua jenis jalur biosintesis terpenoid yang bisa dilihat dari tempat terjadinya biosintesis, prekursor awal, dan enzim-enzim yang berperan dalam pembentukan precursor IPP dan DMAPP.
A.    Tempat Biosintesis
Yang membedakan jalur mevalonat (MVA) dan non-mevalonat (MEP) adalah tempat terjadinya dan precursornya, jalur mevalonate terjadi di sitosol dan mitokondria sedangkan non-mevalonat terjadi di plastida.
B.     Prekusor Awal
Precursor pembentuk IPP dan DMAPP dari jalur mevalonate adalah asetil Co-A  sedangkan pada jalur non mevalonate yakni pyruvate dan Gliseraldehid 3-fosfat.
C.    Enzim yang Berperan dalam Sintesis Prekursor IPP dan DMAPP
Karena prekursor awal kedua jalur biosintesis terpenoid berbeda, maka tahapan reaksi yang terjadi untuk biosintesis terpenoid berbeda. Namun, kedua jalur biosintesis sama-sama akan membentuk IPP dan DMAPP sebagai precursor C5 universal terpenoid yang pada akhirnya akan membentuk terpenoid. Reaksi yang terjadi berupa reaksi enzimatik yang dikatalisis oleh enzim tertentu.
Pada jalur mevalonate (MVA) terjadi tujuh reaksi enzimatik untuk mengubah prekursor asetil- CoA ke IPP dan DMAPP dengan melibatkan beberapa enzim antara lain
1.      Enzim acetoacetyl-CoA C-acetyltransferase / acetoacetyl-CoA thiolase (AACT)
Enzim ini berperan sebagai katalisis dalam reaksi enzimatik pertama pada jalur mevalonat, yaitu berupa reaksi kondensasi ester Claison antara dua molekul asetil-CoA untuk memproduksi acetoacetyl-CoA.
2.      Enzim 3-hydroxy 3-methylglutaryl-CoA synthase (HMGS)
Enzim HMGS berperan sebagai katalisis dalam rekasi kedua, yaitu kondensasi antara asetil CoA dengan asetoasetil-CoA untuk menghasilkan 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA).
3.      Enzim 3-hydroxy 3-methylglutaryl-CoA reductase (HMGR)
Pada reaksi enzimatik selanjutnya 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA diubah menjadi asam mevalonat dengan menggunakan 2 mol NADPH. Rekasi ini bergantung pada ketersediaan NADPH. Dalam reaksi ini dibantu enzim HMGR yang berperan sebagai katalisis.
4.      Enzim Mevalonate kinase (MK) dan Phospho mevalonate kinase (PMK)
Enzim MK dan PMK sama-sama berperan dalam reaksi fosforilasi setelah terbentuknya asam mevalonat. Enzim MK berperan dalam reaksi fosforilasi asam mevalonate menjadi mevalonate 5-phosphate. Kemudian PMK berperan dalam fosforilasi mevalonate 5-phosphate menjadi mevalonate 5-diphosphate.
5.      Enzim mevalonate 5-phosphate decarboxylase (MDC)
Enzim ini berperan dalam reaksi dekarboksilase mevalonate 5-phosphate yang kemudian menghasilkan IPP yang kemudian akan ikonversi juga menjadi DMAPP.
Sementara itu, jalur non-mevalonate atau jalur MEP terdiri dari delapan reaksi dikatalisis oleh sembilan enzim. Beberapa enzim tersebut antara lain
1.      Enzim 1-deoksi-Dxylulose- 5-fosfat sintase (DXPS)
Pada reaksi pertama terjadi kondensasi piruvat dan glyceraldehyde 3-phosphate untuk menghasilkan 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate (DOXP). Reaksi ini dikatalisasi oleh enzim 1-deoksi-Dxylulose- 5-fosfat sintase (DXPS), dengan menggunakan pirofosfat tiamin sebagai kofaktor.
2.      Enzim 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase (DXR)
Enzim 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate reductoisomerase mengubah DOXP menjadi 2C-methyl-D-erythritol-4-phosphate (MEP) dengan menggunakan 1 mol NADPH.
3.      Enzim 4-(Cytidine 5’-diphospho)-2-C-methyl-D-erythritol synthase (CDP-ME synthase)
Enzim CDM-ME synthase berperan dalam mengkatalisis reaksi konjugasi antara MEP dan CTP. Reaksi ini dimulai dengan masuknya nukleotida sebagai substrat untuk MEP. MEP bereaksi dengan 1 molekul CTP untuk menghasilkan 4-diphosphocytidyl-2-C-methyl-D-erythritol (CDP-ME) dan kemudian melepaskan 1 molekul fosfat.
4.      Enzim 4-(Cytidine 5’-diphospho)-2-C-methyl-D-erythritol kinase (CDP-ME kinase)
Enzim CDP-ME kinase berperan sebagai katalis dalam reaksi fosforilasi CDP-ME yang juga melibatkan ATP. Reaksi ini akan menghasilkan CDP-ME2P dan ADP.
5.      Enzim 2C-metil-D-eritritol- 2,4-cyclodiphosphate synthase (MECP synthase)
Pada langkah kelima dalam jalur non-mevalonat, CDP-ME2P diubah menjadi 2C-metil-D-eritritol- 2,4-cyclodiphosphate (MECP) dengan melepaskan 1 molekul CMP. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim MECP synthase.
6.      Enzim 1-hydroxy 2-methyl 2-(E)-butenyl-4-PP synthase (HMBPP synthase)
Setelah terbentuk MECP, maka MECP akan diubah menjadi 1-hydroxy 2-methyl 2-(E)-butenyl-4-PP melalui reaksi yang dikatalisis oleh enzim HMBPP synthase.
7.      Enzim 1-hydroxy 2-methyl 2-(E)-butenyl-4-PP reductase (HMBPP reductase)
Pada tahap akhir pembentukan IPP dan DMAPP pada jalur non mevalonat, HMBPP akan dikonversi menjadi IPP dan kemudian DMAPP dengan rasio 5:1. Reaksi konversi ini dikatalisis ileh enzim HMBPP reductase. Pada pembentukan DMAPP, terdapat enzim IPP isomerase yang akan melakukan isomerisasi pada ikatan rangkap dua atom karbon pada IPP sehingga terbentuk DMAPP.
Ketika IPP dan DMAPP sudah terbentuk, maka kedua jalur akan membentuk terpenoid. Terpenoid yang dihasilkan melalui jalur MVA antara lain terpenoid sterol, sesquiterpen, poliphrenol, dan ubiquinone. Sedangkan jalur MEP akan memproduksi antara lain monoterpen, diterpen, hemiterpen,  karotenoid, asam absisat, dan rantai fitol pada klorofil.
IPP sebagai unit isopren aktif bergabung secara kepala ke-ekor (head to tail) dengan DMAPP dan penggabungan ini merupakan langkah pertama dari polimerisasi isopren untuk menghasilkan terpenoid. Penggabungan ini terjadi karena pemecahan elektron dari ikatan rangkap IPP akibat atom karbon dari DMAPP yang kekurangan elektron diikuti oleh penyingkiran ion pirofosfat. Proses ini menghasilkan geranil pirofosfat (GPP) yakni senyawa antara bagi semua senyawa monoterpen.
Penggabungan selanjutnya antara satu unit IPP dan GPP, dengan mekanisme yang sama seperti antara IPP dan DMAPP, menghasilkan farnesil pirofosfat (FPP) yang merupakan senyawa antara bagi semua senyawa sesquiterpen. Senyawa-senyawa diterpen diturunkan dari geranil-geranil pirofosfat (GGPP) yang berasal dari kondensasi antara atau satu unit IPP dan GPP dengan mekanisme yang sama pula.
Reaksi-reaksi selanjutnya dari senyawa antara GPP, FPP dan GGPP untuk menghasilkan senyawa-senyawa terpenoid satu persatu hanya melibatkan beberapa jenis reaksi sekunder pula. Reaksi-reaksi sekunder ini lazimnya ialah hidrolisa, siklisasi, oksidasi, reduksi dan reaksi-reaksi spontan yang dapat berlangsung dengan mudah dalam suasana netral dan pada suhu kamar, seperti isomerisasi, dehidrasi, dekarboksilasi dan sebagainya.

1.2     Hubungan Jalur MVA dan MEP pada Biosintesis Terpenoid
Biosintesis terpenoid jalur MVA dan MEP terjadi dalam dua kompartemen yang berbeda pada tanaman. Walaupun demikian, kedua jalur yang berbeda tersebut tidak sepenuhnya terpisah dalam ruang berbeda. Beberapa penelitian menunjukkan adanya hubungan antara jalur MVA dan MEP dan dinyatakan kedua jalur biosintesis terjadi secara simultan. Dalam beberapa kasus, produksi satu metabolit dapat dipertukarkan antar jalur dalam dua kompartemen yang terpisah.
Penelitian yang dilakukan pada Matricaria recutita (Adam and Zapp 1998) dan G. biloba (Schwarz 1994) menunjukkan kedua jalur sintesis IPP bekerjasama untuk menghasilkan unit isoprene dalam mensintesis sesquiterpen dan diterpen.
Sementara itu, penelitian yang lebih komprehensif dilakukan pada Arabidopsis thaliana oleh Laule et al. (2003) yang meneliti pengaruh pemberian inhibitor enzim terhadap produksi terpenoid jalur MVA dan MEP serta pengaruhnya terhadap ekspresi gen tumbuhan yang berhubungan dengan biosintesis terpenoid. Pada penelitian tersebut didapatkan bahwa setelah 96 jam penambahan lovastatin (inhibitor enzim HMGR), persentase terpenoid dari jalur MEP dan MVAmeningkat dibandingkan kelompok kontrol. Hal sebaliknya ditunjukkan ketika diberikan perlakuan penambahan fosmidomycin (inhibitor enzim DXR) yang setelah 96 jam menyebabkan penurunan persentase terpenoid pada kedua jalur. Hal ini menunjukkan adanya hubungan satu arah antara kedua jalur.
Pada skrinning gen Arabidopsis thaliana yang dilakukan pada kedua perlakuan menunjukkan bahwa telah terjadi perubahan ekspresi gen pada kedua perlakuan. Hal ini menunjukkan bahwa dengan berubahnya ekspresi gen A.thaliana maka aktivitas enzimatik juga akan berubah karena terjadinya modifikasi protein.
Selain faktor modifikasi aktivitas enzimatik terebut, ketersediaan prekursor juga mungkin menunjukkan hubungan kedua jalur biosintesis terpenoid ini. Seperti yang ditunjukkan pada hasil penelitian terhadap A. thaliana diatas, setelah 1 jam pemberian lovastatin terjadi penurunan jumlah sterol. Namun secara perlahan meningkat pada 3 jam setelah pemberian lovastatin. Hal ini menunjukkan jalur MEP dapat mengimbangi kurangnya jumlah IPP yang diperlukan untuk biosintesis sterol. 


Pustaka :


Ajikumar, Parayil Kumaran; Keith Tyo; Simon Carlsen; Oliver Mucha; Too Heng Phon; and Gregory Stephanopoulos. 2008. Terpenoids: Opportunities for Biosynthesis of Natural Product Drugs Using Engineered Microorganisms. Molecular Pharmaceutics, Vol 5 (2), hal. 167-190.
Dubey, Vinod Shanker; Ritu Bhalla; dan Rajesh Luthra. 2003. An overview of the non-mevalonate pathway for terpenoid biosynthesis in plants. Journal Bioscience, Vol. 28 (5), hal 637-646.
Laule, Oliver; Andreas Furholz, Hur-Song Chang, Tong Zhu, Xun Wang, Peter B. Heifetz, Wilhelm Gruissem, dan B. Markus Lange. 2003. Crosstalk between cytosolic and plastidial pathways of isoprenoid biosynthesis in Arabidopsis thaliana. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, Vol. 100 (11), hal. 6866-6871.
Liao, Zhi-Hua; Min Chen; Yi-Fu Gong; Zhi-Qi Miao; Xiao-Fen Sun; dan Ke-Xuan Tang. 2006. Isoprenoids Biosynthesis in Plants : Pathways, Genes, Regulation, and Metabolic Engineering. Journal of Biological Science, Vol. 6 (1), hal. 209-219