ANALISIS KESTABILAN PROTEIN 1GB1 MENGGUNAKAN

SIMULASI DINAMIKA MOLEKUL

JELLYTA HATI

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2014

PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN

SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*

Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Analisis Kestabilan

Protein 1GB1 Menggunakan Simulasi Dinamika Molekul adalah benar karya saya

dengan arahan dari dosen pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun

kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari

karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan

dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.

Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut

Pertanian Bogor.

Bogor, Februari 2014

Jellyta Hati

NIM G74100007

ABSTRAK

JELLYTA HATI. Analisis Kestabilan Protein 1GB1 Menggunakan Simulasi

Dinamika Molekul. Dibimbing oleh TONY IBNU SUMARYADA dan

SETYANTO TRI WAHYUDI.

Mekanisme untuk menjelaskan stabilitas protein masih menjadi masalah

utama yang tidak dipahami sepenuhnya. Salah satu masalah adalah memahami

kestabilan termal yang tinggi dari protein 1GB1. Kestabilan termal protein 1GB1

dapat dianalisis menggunakan teknik simulasi dinamika molekul. Penelitian ini

bertujuan mempelajari dinamika molekul serta kestabilan termal protein 1GB1

dalam rentang simulasi hingga 100 ns. Proses simulasi terdiri dari tahap preparasi,

minimisasi, pemanasan, ekuilibrasi, dan produksi. File koordinat awal 1GB1 dapat

diunduh dari Protein Data Bank (PDB). Pengaruh termal yang diberikan adalah

suhu sebesar 450K dan 475K selama 100 ns, sedangkan 500K dibatasi selama 2 ns.

Proses unfolding terjadi pada suhu 475K saat 95 ns dan 500K saat 745 ps. Saat

itulah struktur sekunder mengalami perubahan, namun hanya sebagian pada suhu

475K. Struktur α-helix dan β-hairpin rusak (collapse) hampir seluruhnya pada suhu

500K.

Kata kunci: protein 1GB1, simulasi dinamika molekul, stabilitas termal, unfolding

ABSTRACT

JELLYTA HATI. Analysis of the Stability of 1GB1 Protein Using Molecular

Dynamics Simulation. Supervised by TONY IBNU SUMARYADA and

SETYANTO TRI WAHYUDI.

A mechanism to explain the stability of the protein is still a major problem

that is not fully understood. One of the problem is understanding the high thermal

stability of 1GB1 protein. The thermal stability of 1GB1 protein can be analyzed

using molecular dynamics simulation technique. The aim of this research is to learn

molecular dynamics and thermal stability of 1GB1 protein in the range of

simulation up to 100 ns. Simulation process consists of the preparation,

minimization, heating, equilibration, and production run. The initial coordinate file

1GB1 can be downloaded from Protein Data Bank. The influence of thermal that

given by this simulation are 450K and 475K for 100 ns, while 500K is bounded for

2 ns. For 475K simulation, the unfolding process occured at 95 ns indicated by the

dissappearance of some secondary structure. For 500K simulation, the unfolding

process occured at 745 ps indicated by the dissappearance of most of the secondary

structure (collapsing of α-helix and β-hairpin structure).

Keywords: molecular dynamics simulation, 1GB1 protein, thermal stability,

unfolding

ANALISIS KESTABILAN PROTEIN 1GB1 MENGGUNAKAN

SIMULASI DINAMIKA MOLEKUL

JELLYTA HATI

Skripsi

sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains

Pada

Departemen Fisika

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT PERTANIAN BOGOR

BOGOR

2014

Judul Skripsi : Analisis Kestabilan Protein 1GB1 Menggunakan Simulasi

Dinamika Molekul

Nama : Jellyta Hati

NIM : G74100007

Disetujui oleh

Dr. Tony Ibnu Sumaryada Setyanto Tri Wahyudi, M.Si

Pembimbing I Pembimbing II

Diketahui oleh

Dr. Akhiruddin Maddu

Ketua Departemen Fisika

Tanggal Lulus :

PRAKATA

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan

rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ilmiah yang

berjudul “Analisis Kestabilan Protein 1GB1 Menggunakan Simulasi Dinamika

Molekul”. Shalawat beriring salam senantiasa tercurahkan kepada junjungan Nabi

Muhammad SAW.

Karya ilmiah ini disusun sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana

di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut

Pertanian Bogor.

Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada Bapak Dr. Tony Ibnu

Sumaryada selaku pembimbing pertama dan Bapak Setyanto Tri Wahyudi, M.Si

selaku pembimbing kedua. Disamping itu juga kepada orang tua, keluarga, staff,

Eni, Roro, Hanna, dan rekan-rekan mahasiswa/i fisika yang senantiasa memberikan

motivasi, semangat, dan saran selama ini. Penulis juga ingin mengucapkan terima

kasih kepada Ibu Mersi Kurniati, M.Si selaku pembimbing akademik, Bapak

Ardian Arief, M.Si selaku penguji dan kak Kania Nur Sawitri, S.Si yang sangat

membantu penulis dalam memahami prosedur penelitian ini.

Semoga karya ilmiah ini dapat bermanfaat untuk mengembangkan simulasi

dinamika molekul di Departemen Fisika FMIPA-IPB.

Bogor, Februari 2014

Jellyta Hati

DAFTAR ISI

DAFTAR TABEL vi

DAFTAR GAMBAR vi

DAFTAR LAMPIRAN vi

PENDAHULUAN 1

Latar Belakang 1

Perumusan Masalah 1

Tujuan Penelitian 1

Hipotesis 2

TINJAUAN PUSTAKA 2

Struktur Protein 1GB1 2

Stabilitas Termal Protein 3

Jari-Jari Girasi 3

Root Mean Square Deviation (RMSD) dan Root Mean Square Fluctuation

(RMSF) 3

Jembatan Garam 3

Solvent Accessible Surface Area (SASA) 4

Ikatan Hidrogen 4

Energi 4

METODE 4

Waktu dan Tempat 4

Alat 4

Studi Pustaka 5

Preparasi Molekul 5

Simulasi Dinamika Molekul 5

Pengolahan Hasil Simulasi 5

HASIL DAN PEMBAHASAN 6

Validasi 6

Struktur Sekunder 6

Jari-Jari Girasi 7

RMSD 8

RMSF 9

Energi 9

Ikatan Hidrogen 10

SASA 11

Jembatan Garam 13

SIMPULAN DAN SARAN 14

Simpulan 14

Saran 15

DAFTAR PUSTAKA 15

LAMPIRAN 17

RIWAYAT HIDUP 20

DAFTAR TABEL

1 Residu penyusun struktur sekunder protein 1GB1 2

2 Pasangan residu penyusun jembatan garam setiap variasi suhu 13

DAFTAR GAMBAR

1 Nilai faktor beta kristal 1GB1 dengan simulasi 300K 6

2 Struktur sekunder dengan suhu (a) 450K selama 100 ns, (b) 475K selama

100 ns dan (c) 500K selama 2 ns 7

3 Jari-jari girasi selama simulasi dengan suhu (a) 450K dan 475K, (b)

500K 8

4 RMSD selama simulasi dengan suhu (a) 450K dan 475K, (b) 500K 8

5 RMSF dengan suhu (a) 450K dan 475K selama 100 ns, (b) 500K selama

2 ns 9

6 Energi konformasi dan non-ikatan selama simulasi dengan variasi suhu 10

7 Jumlah ikatan hidrogen selama simulasi dengan variasi suhu 11

8 Nilai SASA selama simulasi dengan variasi suhu 12

9 Energi elektrostatik pasangan jembatan garam E15-K4 (a) 450K dan

475K, (b) 500K 14

10 Energi elektrostatik pasangan jembatan garam E27-K31 (a) 450K dan

475K, (b) 500K 14

DAFTAR LAMPIRAN

1 Data faktor beta PDB dan simulasi 300K 17

2 Posisi pasangan jembatan garam pada struktur sekunder protein 1GB1

(a) E15-K4 suhu 475K, (b) E27-31 suhu 475K, (c) E-15-K4 suhu 500K,

(d) E27-K31 suhu 500K 18

3 Konformasi akhir setiap variasi suhu (a) 450K, (b) 475K, (c) 500K 18

4 Karakteristik residu pada protein 1GB1 19

PENDAHULUAN

Latar Belakang

Protein merupakan rantai molekul panjang tersusun dari monomer yang

membentuk bahan struktural jaringan tubuh. Ikatan peptida terbentuk dari

gabungan asam amino melalui sintesis dehidrasi menjadi polipeptida yang

membentuk menjadi protein. Protein berperan dalam penyusun utama makhluk

hidup. Beberapa fungsi protein diantaranya sebagai elemen struktural, sintesis

hormon, enzim dan antibodi serta terlibat dalam transportasi oksigen. Protein dapat

melipat secara fungsional dalam bentuk konformasi pada jangka waktu milisekon

serta seringkali dapat refold jika konformasi mereka menjadi terganggu atau

terdenaturasi.1 Mekanisme untuk menjelaskan sifat stabilitas protein masih menjadi

masalah utama yang tidak dipahami sepenuhnya. Banyak faktor yang

mempengaruhi stabilitas termal protein. Proses pelipatan dari kebanyakan protein

adalah fenomena fisik murni yang tergantung pada urutan asam amino tertentu dari

protein dan lingkungan pelarut.2

Struktur protein dapat memberikan informasi pemahaman terhadap karakter

dan aktivitas protein. Struktur tiga dimensi dapat ditentukan menggunakan metode

kristalografi sinar-X (X-ray crystallography) dan Nuclear Magnetic Resonance

(NMR). Kristalografi sinar-X merupakan metode yang menggunakan pancaran

sinar-X yang ditembakkan ke suatu protein yang memiliki kemurnian tinggi

sehingga berbentuk kristal. Pancaran tersebut akan terhamburkan dan hamburan

yang muncul memberikan informasi struktur kristal protein. Sedangkan informasi

struktural tingkat atom dari protein pada keadaan unfolded dapat menggunakan

metode NMR. Informasi tersebut penting dalam karakterisasi proses pelipatan

protein.3

Molekul mengalami perubahan konformasi (ikatan, sudut dihedral dan rotasi)

molekul secara keseluruhan.4 Simulasi dinamika molekul merupakan teknik yang

digunakan dalam mempelajari stabilitas enzim atau protein, struktur protein,

perubahan konformasi, pelipatan protein, pengangkutan ion pada sistem biologi,

evaluasi struktur hasil kristalografi sinar-X dan NMR, serta perancangan obat.5

Terdapat banyak jenis protein di alam ini. Setiap protein memiliki sifat kestabilan

termal yang berbeda. Kestabilan termal yang tinggi dimiliki salah satunya pada

protein 1GB1.

Perumusan Masalah

1. Bagaimana dinamika dan kestabilan protein 1GB1 dalam rentang waktu

simulasi yang panjang (100 ns)?

2. Bagaimana pengaruh suhu terhadap dinamika serta proses unfolding protein

1GB1?

3. Jenis interaksi apakah yang berperan terhadap kestabilan termal protein 1GB1?

Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah mempelajari dinamika molekul serta

kestabilan termal protein 1GB1 dalam rentang simulasi hingga 100 ns.

2

Hipotesis

Protein 1GB1 memiliki kestabilan termal yang tinggi dan akan mengalami

proses unfolding pada suhu yang tinggi.

TINJAUAN PUSTAKA

Struktur Protein 1GB1

Protein terdiri dari kumpulan kovalen dua puluh asam amino yang berbeda.

Dua puluh asam amino standar masing-masing terdiri dari sebuah gugus karboksil,

gugus amino, dan rantai samping yang disebut residu. Residu inilah yang

menjadikan asam amino berbeda yang akan berpengaruh keseluruhan terhadap

suatu protein. Struktur protein terdiri dari struktur primer, sekunder, tersier, dan

kuartener. Struktur sekunder merupakan struktur tiga dimensi dari rangkaian asam

amino pada protein yang distabilkan oleh ikatan hidrogen. Struktur sekunder ini

terdiri dari alpha helix, beta sheet, turn, dan coil.

Protein 1GB1 merupakan jenis protein kompleks yang terdiri dari empat

rantai peptida. Protein ini adalah jenis antibodi utama yang ditemukan di aliran

darah. Sifat pengikatan protein ini berfungsi dalam menghindari pertahanan inang

dari suatu organisme. Protein 1GB1 termasuk dalam kelompok G Streptococcus

dengan domain B1 yang terdiri dari 56 residu. Residu ini membentuk 2 pasang beta-

hairpin, 2 coil, 2 turn dan 1 alpha-helix seperti terlihat pada Tabel 1. Kestabilan

termal dari protein 1GB1 ini dapat dipertanggungjawabkan oleh topologi yang luar

biasa, berhubungan dengan ikatan hidrogen yang tinggi, sifat hidropobik pada

bagian dalam protein, dan sifat hidropilik bagian luar protein.6

Tabel 1 Residu penyusun struktur sekunder protein 1GB1.7

No Struktur

Sekunder

Index

Residu Kode Residu

1 Beta-sheet

2 s/d 8 T, Y, K, L, I, L, N

13 s/d 19 K, G, E, T, T, T, E

42 s/d 46 E, W, T, Y, D

51 s/d 55 T, F, T, V, T

2 Alpha-helix 23 s/d 37 A, A, T, A, E, K, V, F,

K, Q, Y, A, N, D, N

3 Turn

9 s/d 12 G, K, T, L

47 s/d 50 D, A, T, K

4 Coil 1 M

20 s/d 22 A, V, D

38 s/d 41 G, V, D, G

56 E

3

Stabilitas Termal Protein

Stabilitas termal suatu protein merupakan kemampuan protein dalam

mempertahankan struktur pada keadaan folded sebagai respon terhadap energi

tinggi. Unfolding terjadi saat keadaan protein tidak stabil sehingga memiliki energi

yang lebih tinggi dari keadaan folded.

Mekanisme unfolding digambarkan dalam empat keadaan

F H S U

F (frayed) adalah keadaan struktur berjumbai saat folded. H adalah keadaan

inti hidropobik terbungkus tanpa struktur sekunder. S adalah keadaan sebagian inti

hidropobik terlarut. U adalah keadaan unfolded sempurna.8

Parameter yang dapat digunakan untuk menjelaskan proses unfolding protein,

diantaranya adalah:

Jari-jari Girasi

Jari-jari girasi pada penelitian ini menunjukkan kepadatan dan kelarutan dari

gugus hidropobik serta merujuk pada atom berat sisi rantai aromatik di gugus

hidropobik.8 Peningkatan nilai jari-jari girasi suatu simulasi menunjukkan volume

struktur protein yang semakin membesar secara geometri. Peningkatan volume ini

menggambarkan semakin berkurangnya kerapatan molekul protein atau semakin

berkurangnya kekompakan struktur.9 Jari-jari girasi didefinisikan sebagai akar

kuadrat rata-rata jarak antara atom dengan pusat gravitasi rantai molekul.

𝑅𝐺2 = (∑ 𝑟𝑖𝑗

2𝑖<𝑗 ) (𝑛 + 1)2⁄ (1)

dimana 𝑟𝑖𝑗 adalah vektor jarak atom ke-i dan atom ke-j.10

Root Mean Square Deviation (RMSD) dan Root Mean Square Fluctutation

(RMSF)

RMSD bergantung pada atom yang digunakan serta dapat menjelaskan

prosedur pelipatan protein dan mengetahui waktu saat perubahan konformasi.11

RMSD adalah jarak rata-rata antara konformasi dan struktur referensi.4

𝑅𝑀𝑆𝐷 = √∑ 𝑚𝑖 𝑖 (𝑟1

𝑟𝑒𝑓−𝑟𝑖)2

∑ 𝑚1𝑖 (2)

RMSF menunjukkan tingkat fleksibilitas residu protein selama simulasi. Nilai

RMSF yang tinggi merupakan daerah dengan fleksibilitas yang tinggi. RMSF

bertujuan mengukur deviasi antara posisi atom dan beberapa struktur referensi yang

dapat diinterpretasikan menjadi

𝑅𝑀𝑆𝐹(𝑣) = √1

𝑇∑ (𝑣𝑖 − �̅�)2𝑇

𝑖=1 (3)

dimana 𝑇 adalah jumlah frame, 𝑣𝑖 adalah kedudukan residu pada frame ke-i, dan �̅�

adalah kedudukan rata-rata residu selama frame T.12

Jembatan Garam

Jembatan garam dihasilkan dari interaksi elektrostatik antara 𝐶𝑂𝑂− pada

residu polar negatif (Glutamic acid atau Aspartic acid) dengan 𝑁𝐻3+ residu polar

4

positif (Lysine).7 Jembatan garam di protein dengan kestabilan suhu tinggi lebih

sering dihubungkan dengan sisi gugus hidropobik dibandingkan dengan susunan

interaksi elektrostatiknya.13

Solvent Accessible Surface Area (SASA)

SASA menggambarkan luasan area permukaan protein yang dapat diakses

oleh molekul pelarut. SASA digunakan sebagai proxy sederhana untuk fleksibilitas

protein. Ini menunjukkan hubungan yang kuat antara fleksibilitas protein terikat

dan perubahan konformasi yang mengikat protein.14

Ikatan Hidrogen

Ikatan hidrogen terjadi akibat gaya tarik antarmolekul antara dua muatan

listrik parsial dengan polaritas yang berlawanan. Ikatan hidrogen termasuk jenis

ikatan yang lebih kuat dari gaya antarmolekul lainnya, tetapi lebih lemah

dibandingkan dengan ikatan kovalen dan ikatan ion.15 Ikatan hidrogen terbentuk

dari interaksi antara sebuah atom hidrogen dari molekul atau fragment molekul X-

H, X memiliki kelebihan elektronegatifan daripada H.16

Energi

Gradien energi potensial yang bekerja pada atom-atom terhadap koordinat

masing-masing dalam struktur ruang 3D menggambarkan interaksi intramolekul.

Fungsi energi potensial dalam simulasi dinamika molekul diberikan oleh force field,

yaitu fungsi yang mendefinisikan gaya-gaya yang bekerja pada suatu atom

individual pada keadaan energi rendah. Energi potensial dapat dipengaruhi oleh

kelompok interaksi internal dan eksternal. Interaksi internal meliputi energi ikatan,

sudut ikatan dan sudut dihedral. Interaksi eksternal meliputi non-kovalen dan non-

ikatan. Jenis interaksi non-ikatan adalah interaksi elektrostatik (potential Coulomb)

dan interaksi van der Waals (potential Lennard-Jones).9

METODE

Waktu dan Tempat

Penelitian ini dilaksanakan pada bulan September 2013 sampai bulan

Februari 2014. Tempat penelitian dilakukan di Laboratorium Fisika Teori dan

Komputasi, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,

Institut Pertanian Bogor.

Alat

Penelitian ini menggunakan peralatan berupa alat tulis, komputer dengan

spesifikasi 3,40 GHz, 12 GB RAM, dan laptop dengan spesifikasi 1,70 GHz, 4 GB

RAM menggunakan sistem operasi Linux Ubuntu 12.10. Program pendukung

VMD 1.9.1, NAMD 2.9, CatDCD 4.0, Gnuplot 4.6.4, Gimp 2.8, dan Ms.Excel

2013. VMD digunakan pada tahap preparasi, analisis, menampilkan, dan

menganimasikan molekul. NAMD sebagai simulator dinamika molekul.

Sedangkan yang lain digunakan dalam tahap pengolahan data.

5

Studi Pustaka

Studi pustaka dilakukan agar dapat memahami konsep dan fungsi protein

1GB1, stabilitas termal suatu protein, simulasi dinamika molekul, dan analisis

dinamika molekul.

Preparasi Molekul

Pada awal preparasi ini dibutuhkan file 1GB1.pdb yang mengandung

koordinat atom dari hasil kristalografi sinar-X dan NMR sehingga struktur tiga

dimensi protein 1GB1 dapat ditentukan. File ini dapat diunduh dari Protein Data

Bank (PDB). Langkah pertama, 1GB1.pdb diatur jumlah framenya menjadi sama

dengan satu. Kemudian atom hidrogen dihilangkan yang akan menghasilkan

keluaran 1GB1-noh.pdb. Agar memudahkan perhitungan selanjutnya, pusat

koordinat digeser ke (0,0,0). Kedua, membuat file 1GB1-psf.pdb dan 1GB1-psf.psf

melalui automatic psf builder. Hal tersebut diperlukan untuk menerapkan medan

gaya tertentu ke dalam sistem molekul. Ketiga, melarutkan molekul agar sistem

mendekati keadaan sebenarnya, melalui add solvation box dibuat kotak air

berdimensi (80x80x80)Å sebagai wadah pelarut molekul 1GB1. Keluaran tahap ini

adalah 1GB1-solv.pdb dan 1GB1-solv.psf. Keempat, penetralan sistem, molekul

masih mengandung ion-ion dari residu polar sehingga diperlukan penetralan.

Melalui add ions digunakan penetral sistem NaCl 0.15 M. Keluarannya adalah

1GB1-ion.pdb dan 1GB1-ion.psf.

Simulasi Dinamika Molekul

Simulasi ini melakukan empat tahap menggunakan program NAMD dengan

masukan awal file konfigurasi. File ini sebagai pengontrol sistem yang berisi

parameter dalam menjalankan simulasi. File topologi yang digunakan adalah

par_all27_prot_na_lipid.inp. Tahap pertama adalah minimisasi. Minimisasi

bertujuan untuk meminimalkan energi pada molekul. Masukan awal adalah 1GB1-

ion.pdb dan 1GB1-ion.psf hasil dari preparasi molekul. Kedua, pemanasan,

masukan awal adalah hasil dari minimisasi. Pada awal simulasi sistem bersuhu 0K,

suhu akhir akan divariasikan menjadi 450K, 475K dan 500K. Ketiga, ekuilibrasi,

suhu sistem dijaga konstan dengan protokol Langevin. Kemudian tahap terakhir

adalah production run. Pada tahap inilah simulasi dinamika molekul dijalankan.

Molekul dibiarkan bebas bergerak dengan cara suhu sistem tidak dikontrol lagi.

Tahap ini dilakukan selama 100 ns, kecuali untuk suhu 500K selama 2 ns. Simulasi

suhu 300K juga dilakukan namun hanya selama 10 ns. Hal ini diperlukan untuk

validasi data, sehingga dapat dipastikan variasi suhu selanjutnya dapat dilanjutkan.

Pengolahan Hasil Simulasi

Keluaran dari tahap akhir simulasi dinamika molekul adalah file 1GB1-

md.dcd. File ini dimasukkan ke program VMD. Data yang diperoleh tersebut

menghasilkan grafik yang dibutuhkan untuk analisis kestabilan termal protein

1GB1, yaitu struktur sekunder, jari-jari girasi, RMSD, RMSF, energi, ikatan

hidrogen, SASA, dan jembatan garam.

6

HASIL DAN PEMBAHASAN

Validasi

Setiap penelitian dengan metode komputasi perlu divalidasi untuk

memastikan bahwa hasil simulasi sesuai dengan hasil eksperimen. Validasi

dilakukan dengan membandingkan faktor beta hasil simulasi dengan faktor beta

data eksperimen yang diperoleh dari PDB (data disajikan pada Lampiran 1). Faktor

beta menggambarkan pergeseran kerapatan elektron suatu atom pada kristal. Nilai

faktor beta simulasi dapat diperoleh dari nilai RMSF atom-atom C-α dari simulasi

pada suhu 300K. Data validasi dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1 Nilai faktor beta kristal 1GB1 dengan simulasi 300K

Gambar 1 menunjukkan bahwa hasil simulasi memiliki pola yang sama

terhadap data eksperimen. Hal ini berarti model simulasi pada penelitian ini

memiliki validitas yang baik sehingga model dapat digunakan untuk variasi suhu

yang lain.

Struktur Sekunder

Analisis struktur sekunder memberi informasi terhadap perubahan struktur

protein selama simulasi berlangsung. Gambar 2(a) merupakan struktur sekunder

pada suhu 450K, terlihat bahwa β-hairpin mengalami gangguan perubahan struktur,

namun sampai akhir simulasi struktur sekunder masih tetap lengkap meskipun

sedikit mengalami perubahan. Pada Gambar 2(b) terlihat bahwa pengaruh suhu

475K dapat menganggu struktur sekunder protein ini. Simulasi selama 100 ns

menyebabkan struktur α-helix dan β-hairpin mengalami perubahan. Ini

mengindikasikan terjadinya unfolding tahap awal. Unfolding terjadi saat keadaan

protein tidak stabil sehingga memiliki energi yang lebih tinggi dari keadaan native.

Sedangkan pada Gambar 2(c) menunjukkan bahwa pengaruh suhu 500K dapat

menyebabkan terjadinya perubahan yang hampir sempurna pada struktur sekunder

protein. Struktur β-hairpin dan α-helix berubah menjadi turn maupun coil.

7

(a) (b)

Keterangan:

Beta-sheet

Alpha helix

Turn

Coil

(c)

Gambar 2 Struktur sekunder dengan suhu (a) 450K selama 100 ns, (b) 475K selama

100 ns, dan (c) 500K selama 2 ns

Jari-Jari Girasi

Analisis terhadap jari-jari girasi selama simulasi merupakan salah satu

parameter yang dapat mempelajari proses terjadinya unfolding. Jari-jari girasi

menggambarkan kekompakan struktur protein. Jika terjadi peningkatan jari-jari

girasi maka kekompakan struktur protein berkurang. Grafik dibawah ini merupakan

data yang diperhalus dengan moving average untuk setiap 50 frame. Gambar 3(a)

menunjukkan perbandingan nilai jari-jari girasi pada suhu 450K dan 475K. Terlihat

perbedaan yang sangat signifikan pada waktu sekitar 95 ns. Nilai jari-jari girasi

suhu 475K mengalami kenaikan yaitu sebesar 11 sampai 14.5 Å. Molekul protein

berekspansi dan mengalami peningkatan volume. Hal ini mengindikasikan bahwa

terjadi proses unfolding.

Begitu juga pada suhu 500K yang dipresentasikan pada Gambar 3(b), nilai

jari-jari girasi meningkat dari 11 sampai 17.5 Å pada waktu sekitar 745 ps. Waktu

terjadinya unfolding yang sangat cepat ini disebabkan oleh pengaruh suhu yang

lebih tinggi. Setelah mengalami peningkatan yang cukup drastis, nilai jari-jari girasi

kembali turun namun memiliki nilai yang lebih tinggi dibanding sebelum terjadi

unfolding. Peningkatan jari-jari girasi juga terkait dengan berkurangnya ikatan

hidrogen intramolekular yang menjaga kekompakan protein. Hal ini berarti pada

suhu 475K saat 95 ns dan suhu 500K saat 745 ps, kekompakan protein berkurang.

8

(a) (b)

Gambar 3 Jari-jari girasi selama simulasi dengan suhu (a) 450K dan 475K, (b) 500K

RMSD

Analisis RMSD menggambarkan terjadinya perubahan struktur protein

selama simulasi. Nilai RMSD yang berfluktuasi menunjukkan proses perubahan

konformasi dari awal sampai akhir simulasi. Tercapainya keseimbangan suatu

simulasi juga dapat dilihat dari nilai RMSD ketika menunjukkan kecenderungan

linear. Gambar 4(a) menunjukkan fluktuasi nilai RMSD pada suhu 450K dan 475K

selama simulasi 100 ns.

Pada suhu 450K, tidak terjadi perubahan nilai RMSD yang signifikan. Hal ini

berarti tidak terjadi perubahan konformasi yang cukup besar selama simulasi

berlangsung. Sedangkan pada suhu 475K saat 95 ns nilai RMSD meningkat drastis

dari 3 sampai 12 Å. Suhu 500K saat 745 ps juga menunjukkan hasil yang sama

yaitu terjadi perubahan nilai RMSD yang cukup besar dari 1 sampai 9.5 Å.

Peningkatan RMSD ini mengindikasikan bahwa terjadi perubahan struktur protein

selama simulasi sehingga dapat dikatakan terjadi proses unfolding. Kesetimbangan

sistem yaitu kesetimbangan konformasi protein juga dapat dilihat pada suhu 500K

yang terjadi pada 1200 ps yang ditunjukkan pada nilai RMSD yang sudah linear.

(a) (b)

Gambar 4 RMSD selama simulasi dengan suhu (a) 450K dan 475K, (b) 500K

9

RMSF

Analisis RMSF pada simulasi dinamika molekul dapat mempelajari daerah

fleksibel suatu protein. Nilai RMSF pada hasil simulasi ini adalah nilai dari

pergerakan atom-atom C-α pada suatu residu yang dipresentasikan pada Gambar 5.

Gambar 5(a) menunjukkan perbedaan nilai RMSF pada suhu 450K dan 475K, dapat

diamati suhu 475K memiliki nilai RMSF yang lebih tinggi dibanding 450K. Daerah

fleksibel untuk suhu 475K lebih banyak, ditunjukkan oleh banyaknya puncak yang

muncul yaitu residu M1, T11, V21, D41, D48, dan E56. Sedangkan pada suhu 500K

yang dipresentasikan pada Gambar 5(b), daerah fleksibel menjadi semakin

bertambah. Hal ini juga semakin mendukung bahwa terjadi proses unfolding.

Banyak residu menjadi fleksibel seiring dengan meningkatnya suhu.

(a) (b)

Gambar 5 RMSF dengan suhu (a) 450K dan 475K selama 100 ns, (b) 500K selama

2 ns

Energi

Analisis terhadap perubahan energi selama simulasi juga dapat mempelajari

proses terjadinya unfolding sehingga dapat menjelaskan stabilitas termal protein.

Energi potensial ini meliputi energi interaksi internal yang biasa disebut sebagai

energi konformasi yaitu energi ikatan, sudut ikatan dan sudut dihedral, serta

interaksi eksternal yaitu non-kovalen dan non-ikatan. Jenis interaksi non-ikatan

adalah interaksi elektrostatik dan interaksi van der Waals.

Grafik sudah diperhalus dengan moving average untuk setiap 100 frame.

Sepanjang simulasi, protein mengalami perubahan konformasi sehingga

membutuhkan sejumlah energi. Gambar 6(a) menjelaskan perubahan energi

konformasi yang fluktuatif pada suhu 450K dan 475K, sedangkan Gambar 6(b)

pada suhu 500K. Dapat dilihat semakin tinggi suhu, energi konformasi semakin

besar. Ini disebabkan oleh pengaruh suhu yang lebih tinggi sehingga energi yang

dibutuhkan untuk mengalami konformasi juga lebih besar. Selain itu, terlihat pada

745 ps suhu 500K terjadi lonjakan energi yang sangat drastis sebesar 115 Kcal/mol.

Begitu juga pada perubahan energi non-ikatan (Gambar 6(d)) meskipun lonjakan

yang terjadi kecil. Hal ini disebabkan oleh pengaruh konsentrasi ion dalam sistem

serta jumlah residu polar dan bermuatan yang tetap selama simulasi. Maka dapat

dikatakan pada 745 ps terjadi perubahan konformasi yang cukup besar sekaligus

memperkuat bahwa protein berada pada keadaan tidak stabil (unfolded).

10

(a) (b)

(c) (d)

Gambar 6 Energi konformasi dan non-ikatan selama simulasi dengan variasi suhu

Ikatan Hidrogen

Ikatan hidrogen termasuk salah satu parameter yang berperan dalam

membentuk struktur sekunder protein. Ikatan hidrogen juga berperan dalam

stabilitas dan fungsi protein. Perubahan struktur dan kestabilan protein selama

simulasi dapat dijelaskan oleh jumlah ikatan hidrogen. Analisis yang dilakukan

adalah ikatan hidrogen antar protein, backbone-backbone dan protein-pelarut.

Gambar 7(a) dan 7(b) menunjukkan jumlah ikatan hidrogen protein-protein. Grafik

yang ditampilkan ini diperhalus dengan moving average untuk setiap 100 frame.

Pada suhu 450K dan 475K jumlah ikatan hidrogen berfluktuasi selama simulasi.

Penurunan jumlah ikatan hidrogen terjadi pada suhu 500K saat 745 ps, namun

kembali meningkat dan berfluktuasi seperti semula (Gambar 7(b)). Sedangkan pada

Gambar 7(c) dan 7(d) menunjukkan jumlah ikatan hidrogen backbone-backbone

dengan pola yang hampir sama pada jumlah ikatan hidrogen protein-protein.

Penurunan jumlah ikatan hidrogen ini menggambarkan terjadinya ekspansi molekul

protein sebagai salah satu tahap terjadinya unfolding.

Gambar 7(e) dan 7(f) menunjukkan jumlah ikatan hidrogen protein-pelarut

(air). Hasilnya dapat dilihat bahwa pada suhu 450K dan 475K sangat fluktuatif. Hal

ini berbeda dengan suhu 500K, terlihat penurunan jumlah ikatan hidrogen yang

sangat signifikan. Hasil simulasi sudah benar karena saat terjadi unfolding, wadah

pelarut (air) pecah sehingga jumlah ikatan hidrogen antara protein dengan air

berkurang. Dari hasil analisis ikatan hidrogen ini dapat dipresentasikan bahwa

penurunan jumlah ikatan hidrogen menyebabkan terjadinya perubahan struktur

sekunder protein dan mengalami unfolding.

11

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

Gambar 7 Jumlah ikatan hidrogen selama simulasi dengan variasi suhu

SASA

Analisis SASA dapat digunakan untuk menghitung luas area permukaan

protein yang dapat diakses oleh molekul pelarut. Semakin besar nilai SASA

menunjukkan semakin besar molekul protein berekspansi. Grafik pada Gambar 8

ini diperhalus dengan moving average untuk setiap 50 frame. Selama simulasi pada

suhu 450K, nilai SASA total tidak berfluktuasi secara signifikan, namun pada suhu

475K nilai SASA total meningkat pada waktu 95 ns yaitu berkisar antara 4300-

5100 Å ditunjukkan pada Gambar 8(a). Pada suhu 500K (Gambar 8(b)) juga dapat

dilihat peningkatan nilai SASA total yang sangat drastis yaitu pada 745 ps berkisar

antara 4100-6500 Å. Begitu juga untuk nilai SASA backbone, SASA polar dan

SASA nonpolar. Peningkatan nilai SASA total ini menunjukkan bahwa area

interior protein telah diakses oleh molekul pelarut serta pusat hidropobik dari

molekul protein perlahan rusak. Hal ini juga menandakan terjadi proses unfolding.

Semakin tinggi suhu simulasi, maka semakin cepat terjadinya peningkatan nilai

SASA total.

12

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

(g) (h)

Gambar 8 Nilai SASA selama simulasi dengan variasi suhu

13

Jembatan Garam

Setiap struktur protein memiliki beberapa kelompok residu polar bermuatan

dan residu netral. Interaksi kedua jenis residu ini menghasilkan interaksi

elektrostatik, contohnya jembatan garam. Seperti halnya ikatan hidrogen, interaksi

elektrostatik berperan penting dalam stabilitas dan fungsi protein. Pada hasil

simulasi beberapa pasangan jembatan garam muncul (Tabel 2), namun hanya tujuh

pasang yang selalu muncul setiap variasi suhu, yaitu D40-K31, D47-K50, E15-K4,

E15-K13, E27-K28, E27-K31, dan E56-K10.

Tabel 2 Pasangan residu penyusun jembatan garam setiap variasi suhu Suhu Pasangan Suhu Pasangan

Suhu Pasangan

450K D36-K10 475K

D22-K50 500K D40-K31

D36-K13 D36-K10 D47-K4

D40-K10 D36-K31 D47-K50

D40-K31 D40-K10 E15-K4

D47-K50

E15-K4

E15-K13

E27-K28

E27-K31

E42-K10

E42-K31

E56-K10

E56-K31

D40-K31

D46-K10

D47-K10

D47-K50

E15-K4

E15-K13

E27-K28

E27-K31

E42-K31

E56-K10

E15-K13

E27-K28

E27-K31

E56-K10

E56-K31

E56-K13

Setiap jembatan garam ini memiliki energi elektrostatik yang berbeda. Jika

energi tersebut menuju nol maka semakin kecil interaksi pasangan jembatan garam.

Pasangan jembatan garam E15-K4 dan E27-K31 memiliki energi elektrostatik yang

sangat fluktuatif pada suhu 450K dan 475K (Gambar 9(a) dan 10(a)) namun pada

suhu 500K (Gambar 9(b) dan 10(b)), terlihat energi elektrostatik menuju nilai nol

saat mengalami unfolding. Perubahan energi elektrostatik pasangan E15-K4 sebesar

95 Kcal/mol, sedangkan E27-K31 sebesar 45 Kcal/mol. Hal ini menunjukkan

bahwa protein mengalami gangguan kestabilan. Dapat dilihat bahwa E15-K4

terletak pada struktur β-hairpin dan E27-K31 pada struktur α-helix yang disajikan

pada Lampiran 2. Kedua struktur sekunder tersebut (dijelaskan pada subbab

struktur sekunder) rusak (collapse) saat protein berada pada keadaan unfolded.

14

(a) (b)

Gambar 9 Energi elektrostatik pasangan jembatan garam E15-K4 (a) 450K dan

475K, (b) 500K

(a) (b)

Gambar 10 Energi elektrostatik pasangan jembatan garam E27-K31 (a) 450K dan

475K, (b) 500K

SIMPULAN DAN SARAN

Simpulan

Kestabilan termal dari protein 1GB1 dianalisis menggunakan teknik

simulasi dinamika molekul. Perubahan pada struktur sekunder merupakan indikasi

terjadinya unfolding yang berarti kestabilan protein terganggu. Selama simulasi,

molekul berfluktuasi sebagai respon dari suhu yang diberikan. Peristiwa unfolding

ini dijelaskan oleh beberapa parameter yang sudah dianalisis, yaitu meningkatnya

jari-jari girasi, RMSD, energi konformasi, SASA dan bertambahnya jumlah residu

yang lebih fleksibel.

Keadaan unfolded terjadi pada suhu 475K saat 95 ns dan pada suhu 500K

saat 745 ps. Semakin tinggi suhu yang diberikan pada simulasi, semakin cepat pula

terjadinya unfolding protein. Saat itulah struktur sekunder mengalami perubahan.

Pada suhu 475K, struktur α-helix residu 23-24 dan 33-37 berubah menjadi turn,

empat diantaranya termasuk residu hidropobik. Pada β-hairpin, residu 42-46 dan

15

51-55 sebagian berubah menjadi coil. Residu ini juga didominasi dengan gugus

hidropobik. Sedangkan pada suhu 500K, struktur β-hairpin rusak (collapse) hampir

sempurna, hanya tersisa sedikit struktur α-helix yaitu residu 28 hingga residu 33.

Struktur β-hairpin yang didominasi oleh residu hidropobik berubah menjadi coil

maupun turn. Hilangnya residu hidropobik ini didukung oleh faktor meningkatnya

nilai SASA. Stabilitas termal protein juga dipengaruhi oleh ikatan hidrogen dan

interaksi elektrostatik yang membentuk jembatan garam. Penurunan jumlah ikatan

hidrogen dipengaruhi oleh besarnya energi yang diberikan sehingga menyebabkan

perubahan pada struktur sekunder protein. Menurunnya interaksi elektrostatik juga

mengindikasikan terjadi proses unfolding protein.

Saran

Penelitian ini dapat dilanjutkan untuk variasi suhu yang lebih rendah serta

waktu simulasi yang lebih lama lagi agar dapat dianalisis proses unfolding yang

sempurna pada protein 1GB1 ini. Suhu yang tidak terlalu ekstrim diutamakan agar

hasil simulasi dapat lebih mendekati pada keadaan sebenarnya serta mencegah

wadah pelarut pecah akibat pengaruh suhu yang diberikan. Selain itu juga dapat

dilakukan pengaruh lain seperti konsentrasi pH maupun mekanik.

DAFTAR PUSTAKA

1. Murray, R. K., Graner, D. K., and Rodwell, V. W. Harper’s Ilustrated

Biochemistry 28th edition. US: Mc Graw Hill Medical. 2009.

2. Osguthorpe, J David. Ab Initio Protein Folding. Department of Chemistry,

University of Bath. UK: Claverton Down Bath. 2000.

3. Rico, Manuel. Protein structure, dynamics and function by NMR. Spain:

Instituto de Química Física “Rocasolano” (CSIC).

4. Micaelo, Nuno. Analysis of Molecular Simulation Experiment [ulasan].

Portugal: Universidade do Minho. 2010.

5 Roux, B., Allen, T., Berneche, S.Im, W. Theoritical and Computational

Models of Biological Ion Channels. Quart. Rev. Biophys. 2004; 37:15-103.

6. Gronenborn, A. M., Clore, G. M. Structural Studies of Immunoglobulin-Binding

Domains of Streptococcal Protein G, Immunomethods. Maryland: Academic

Press Inc. 1993.

7. Sawitri, K.N. Simulasi Dinamika Molekul Protein 1GB1 Menggunakan Not

Just Another Molecular Dynamics Program (NAMD). [skripsi]. Bogor: Institut

Pertanian Bogor. 2013.

8. Pande, V. S., Rokhsar, D. S. Molecular Dynamics Simulations of Unfolding

and Refolding of Beta-hairpin Fragment of Protein G. Biophysics Journal. Vol.

96, August 1999, pp. 9062-9067. USA: Proc. Natl. Acad. Sci. 1999.

9. Randy, Ahmad. Desain Peningkatan Termostabilitas Lipase B Candida

antartica dengan Rekayasa Penambahan Ikatan Disulfida pada Enzim. [tesis].

Depok: Universitas Indonesia. 2011.

10. Daune, Michel Molecular Biophysics: Structures in Motion. London: Oxford

University Press. 2004.

16

11. Aksimentiev, Alek, et.al. 2013. Using VMD. [Internet]. [diunduh 2013 Sep 18].

Tersedia pada http://www.ks.uiuc.edu.

12. Schuffler, Peter. Analyse a Molecular Dynamics (MD) Trajectory.

13. Thomas, A. S., Elcock, A. H. Molecular Simulations Suggest Protein Salt

Bridges Are Uniquely Suited to Life at High Temperatures [Jurnal] Vol. 126,

October 2004, pp. 2208-2214. J.AM.CHEM.SOC. 2004.

14. JA, Marsh, SA Teichmann. Relative Solvent Accessible Surface Area Predicts

Protein Conformational Changes Upon Binding. UK: MRC Laboratory of

Molecular Biology, Hills Road, Cambridge. 2010.

15. Zulfikar. 2010. Ikatan Hidrogen. [Internet]. [diunduh 2013 Sep 24]. Tersedia

pada http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia-kesehatan/ikatan-

kimia/ikatan-hidrogen/

16. E, Arunan, G.R, Desiraju. Definition of The Hydrogen Bond. IUPAC

Provisional Recommendation. 2004.

17

Lampiran 1 Data faktor beta PDB dan simulasi 300K

Residu Faktor beta PDB Faktor beta 300K

1 5.616518813 10.15154043

2 1.242851043 6.20686205

3 0.229978736 2.431217279

4 0.296094097 2.91775878

5 0.34264598 3.318012265

6 0.477596989 4.475728392

7 0.38609339 6.516518636

8 0.365735557 7.099652787

9 0.93265635 23.13901274

10 2.715198439 40.92050352

11 9.798085889 89.03323388

12 2.871111851 47.7133696

13 0.978033488 8.827037016

14 2.024469741 18.55345457

15 1.0291857 8.733146802

16 0.965373739 6.52367731

17 0.580429207 5.231189252

18 0.77128162 6.220185085

19 1.137807928 6.548100784

20 1.805148316 7.541854452

21 3.475482329 14.32045405

22 1.802149911 12.44498347

23 1.056669743 8.259876909

24 1.906789704 9.59449489

25 1.406373985 8.571076745

26 0.438031269 4.96200734

27 0.945422536 5.132290884

28 1.429326775 6.400157408

29 1.071573022 5.55616023

30 0.234491897 3.374805482

31 0.415576166 4.703697458

32 0.766846347 5.598925229

33 0.714748014 5.551821309

34 0.990508015 6.720916474

35 1.838371926 9.537989331

36 2.949213569 11.62554563

37 5.053438118 15.20526074

38 4.983413104 17.94467111

39 1.553120289 14.33976836

40 2.597617396 28.64594188

41 1.490311474 16.41714194

42 0.66373502 6.512998102

43 0.38048328 4.026026387

44 0.371012051 4.009007913

45 0.241447084 3.99879005

46 0.451600957 4.434799772

47 1.303651002 6.43378212

48 1.742043567 9.497782329

49 1.30004979 7.956271145

50 0.647195015 4.005256954

51 0.342669148 2.899856762

52 0.138476711 2.432421186

53 0.19466836 2.989873873

54 0.275538545 3.552693017

55 0.555890964 6.323477914

56 0.679063905 16.29377007

18

Lampiran 2 Posisi pasangan jembatan garam pada struktur sekunder protein 1GB1

(a) E15-K4 suhu 475K, (b) E27-K31 suhu 475K, (c) E15-K4 suhu

500K, (d) E27-K31 suhu 500K

(a) (b)

(c) (d)

Lampiran 3 Konformasi akhir setiap variasi suhu (a) 450K, (b) 475K, (c) 500K

(a) (b) (c)

19

Lampiran 4 Karakteristik residu pada protein 1GB1.7

No Jenis Residu Kode

Residu

Nama Residu

1 Polar positif K Lysine

2 Polar negatif D Aspartic Acid

E Glutamic Acid

3 Polar netral T Threonine

N Asparagine

Q Glutamine

4 Non polar G Glycine

5 Hidrophobik A Alanine

I Isoleucine

L Leucine

M Methionine

F Phenylalanine

W Tryptophan

Y Tyrosine

V Valine

6 Aromatik F Phenylalanine

Y Tyrosine

W Tryptophan

20

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Banda Aceh pada tanggal 30 Juni

1992 dari Ayah Hamdani AR dan Ibu Kamsinar. Penulis

adalah anak kelima dari 6 bersaudara. Tahun 2010 penulis

lulus dari SMA Laboratorium Unsyiah dan pada tahun

yang sama penulis lulus seleksi masuk Institut Pertanian

Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB

dan diterima di Departemen Fisika, Fakultas Matematika

dan Ilmu Pengetahuan Alam. Sebelumnya penulis

menempuh pendidikan di Sekolah Dasar Y.K Bhayangkari

B. Aceh dan lulus tahun 2004, dilanjutkan di Sekolah Menengah Pertama Negri

(SMPN) 3 B. Aceh (lulus tahun 2007).

Selama mengikuti perkuliahan, penulis menjadi asisten praktikum Fisika

TPB, Fisika Dasar 1, dan Fisika Dasar 2. Penulis juga mengajar mata kuliah Fisika

TPB di bimbingan belajar Katalis Corp. Penulis aktif sebagai anggota UKM

Panahan tahun 2010-2011 dan anggota Divisi Keilmuan Himpunan Mahasiswa

Fisika (HIMAFI) IPB tahun 2011-2012. Selain itu, penulis pernah mengikuti

International Seminar on Sciences 2013 di IPB International Convention Center

(IICC) sebagai pemakalah.