Perpustakaan Digital ITB

Bacteriorhodopsin merupakan protein membran yang berfungsi mentranspor pro- ton dari bagian intrasel ke ekstrasel membran sel. Protein transpor yang difasili- tasi bacteriorhodopsin merupakan proses yang endergonik karena arahnya melawan gradien konsentrasi. Berbeda dengan protein traspor yang umum, bacteriorhodopsin berukuran relatif kecil yang terdiri atas satu subunit dengan 248 residu asam amino. Mekanisme dan kinetika transpor proton yang difasilitasi bacteriorhodopsin telah banyak dipelajari secara luas melalui pendekatan eksperimen menggunakan berba- gai metode, seperti difraksi sinar-X, UV-VIS, dan FT-IR. Beberapa studi teoritis menggunakan pendekatan perhitungan ab-initio dan hybrid Quantum Mechanic- Molecular Mechanic (QMMM) telah banyak dilakukan untuk menjelaskan mekan- isme isomerisasi retinal lisin dalam bacteriorhodopsin selama penyinaran cahaya. Namun, detail perjalanan proses transpor proton dalam bacteriorhodopsin, terma- suk perubahan energi yang menyertainya juga belum banyak diketahui. Stabilitas dan dinamika bacteriorhodopsin dalam berbagai pelarut juga belum banyak diinves- tigasi secara detail hingga saat ini. Oleh karena itu, tujuan penelitian ini adalah un- tuk menginvestigasi stabilitas bacteriorhodopsin dalam berbagai pelarut yang dise- butkan di atas dan untuk mengelusidasi mekanisme transpor proton dan perubahan energi yang menyertainya hingga tingkat atom dengan simulasi dinamika molekul. Penelitian ini dilakukan dalam tiga tahap besar yaitu persiapan model, simulasi dinamika molekul, dan analisis hasil simulasi dinamika molekul. Tahap pertama diawali terdiri atas parameterisasi trans dan cis retinal lisin, parameterisasi lipid DMPC secara united atom, perbaikan struktur bacteriorhodopsin menggunakan MODELLER, dan konstruksi sistem bilayer menggunakan program Packmol. Sim- ulasi dinamika molekul dilakukan menggunakan modul PMEMD program AMBER10 dengan ensambel NPT, yaitu suhu 310 K dan tekanan 1 atm. Simulasi dinamika molekul pada berbagai pelarut selama 10 ns untuk bacteriorhodopsin dalam air, 20 ns untuk bacteriorhodopsin dalam membran dan air, dan 10 ns dalam membran bi- layer dan larutan garam. Konsentrasi larutan garam diatur 1 M KCl untuk bagian intrasel dan 3 M NaCl untuk bagian intrasel. Analisis RMSD pada trayek simulasi menunjukkan tidak ada perubahan signifikan dari stabilitas bacteriorhodopsin pada ketiga pelarut yang disebutkan sebelumnya. Hal ini diduga disebabkan oleh ukuran bacteriorhodopsin yang cukup kecil dan struktur sekundernya yang mayoritas ?-heliks. Namun, analiisis RMSF menun- jukkan adanya perubahan dinamika internal yang signifikan pada bagian protein yang kontak dengan larutan garam berkonsentrasi tinggi. Pada kondisi tersebut, residu ?-sheet yang kontak dengan NaCl 3 M mengalami penurunan fleksibilitas yang signifikan dibandingkan tanpa garam. Hal ini diduga disebabkan oleh adanya kompetisi solvasi antara garam dengan protein dan reorentasi residu-residu hidro- fobik pada ?-sheet bacteriorhodopsin. Analsisis struktur menunjukkan membran bilayer DMPC dalam larutan yang memiliki kadar garam tinggi cenderung lebih rapat dan lebih tebal dibandingkan tanpa garam. Analisis energi menunjukkan selama proses transpor proton, tahap isomerisasi lisin retinal dan pelepasan proton dari Glu194 ke air ekstrasel merupakan tahap yang endergonik (?G > 0). Akan tetapi, tahap pelepasan H+ dari lisin retinal ke Asp85 merupakan tahap yang eksergonik (?G < 0). Tahap selanjutnya belum berhasil dis- imulasi karena memerlukan model dengan framework ikatan hidrogen yang rumit agar bisa berlangsung. Kerumitan proses dan besar energi aktivasi di setiap tahap tersebut tercermin dari lama waktu yang dibutuhkan masing-masing tahap yang bervariasi dari 1 µs hingga 5 ms yang terlalu berat untuk dicapai dengan metode simulasi dinamika molekul saat ini.