bab i pendahuluan

BAB I
PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang dan Permasalahan
Ion logam terdapat pada makhluk hidup dan berperan penting dalam
jaringan tubuh. Pemahaman mengenai mekanisme suatu interaksi ion pada
permukaan protein secara spesifik menjadi suatu hal yang menarik perhatian
peneliti dalam beberapa dekade terakhir. Banyak fungsi interaksi ion pada
permukaan protein yang sudah ditemukan, misalnya dalam transduksi sinyal,
aktivitas katalitik suatu enzim, dan stabilisasi struktur protein. Difusi ion melalui
membran sel juga dapat dikontrol oleh protein tertentu seperti pompa ionik,
transporter dan kanal ion (Jiao, 2006).
Beberapa
penelitian telah
dilakukan
secara
eksperimental
untuk
mempelajari interaksi ion logam dengan berbagai jenis protein. Berbagai metode
seperti kristalografi X-ray dan spektroskopi NMR mampu mendeteksi keberadaan
ion dalam suatu senyawa, namun kedua metode memiliki sejumlah kekurangan,
misalnya, dalam metode kristalografi X-ray, ion monovalen seperti ion Na+
berukuran terlalu kecil dan cepat berpindah-pindah (mobile) sehingga deteksi ion
Na+ pada permukaan protein tidak terlalu jelas dan akurat (Glusker dkk., 1999).
Sementara itu, metode spektroskopi NMR dapat mendeteksi keberadaan ion Na+
berdasarkan absorpsi resonansi, namun metode ini memiliki keterbatasan dalam
hal dinamikanya, khususnya dalam waktu di bawah 10-9 detik, yaitu tak dapat
menentukan dinamika bilangan koordinasi ion tersolvasi. Hal ini disebabkan
ketika ion dikelilingi oleh molekul air, gerakan molekul air itu lebih cepat
dibanding waktu frekuensi yang dikenakan pada NMR dalam melakukan
pengukuran (Armunanto, 2004). Untuk menutupi kekurangan tersebut, simulasi
komputer, khususnya dinamika molekular telah menjadi suatu alternatif dalam
upaya pendekatan dalam meninjau interaksi kompleks ion-protein hingga skala
atom (Friedman dkk., 2011).
Berdasarkan studi yang telah dilakukan, interaksi ion biasanya terjadi
secara non-kovalen pada suatu situs aktif (binding site) permukaan protein. Syarat
terjadinya interaksi yaitu jika terdapat suatu kaviti atau pori pada permukaan
1
2
protein dengan diameter yang sesuai sehingga dapat mengakomodasi ion logam
yang diperlukan dan juga jika protein mempunyai cukup muatan negatif yang
dapat menyeimbangkan muatan ion logam. Beberapa rantai samping asam amino
dalam protein terionisasi pada pH netral dan akibatnya, dalam kondisi
fisiologisnya, dapat menarik ion dengan muatan yang berlawanan. Beberapa
residu asam amino seperti residu Aspartat (Asp) dan Glutamat (Glu) merupakan
residu asam amino yang bermuatan negatif dan menjadi penarik utama kation.
Suatu contoh interaksi ion dan permukaan protein yang umum yaitu beberapa
mekanisme penting dalam tubuh seperti pengaktifan enzim dibantu oleh sejumlah
ion logam (kofaktor). Kation tertentu dapat berinteraksi secara spesifik pada situs
enzim dengan syarat tidak hanya memiliki ukuran yang cocok terhadap kaviti atau
pori tetapi juga muatan yang sesuai. Ion-ion lain mungkin dapat juga berinteraksi
pada kaviti tersebut jika mereka memiliki bentuk dan ukuran yang hampir sama
tetapi reaksi kimianya mungkin berbeda, seperti menyebabkan kurang stabilnya
struktur protein atau menonaktifkan kerja enzim (Glusker dkk., 1999).
Konsep HSAB (Hard Soft Acid Base) berpengaruh dalam selektivitas
suatu gugus fungsional rantai samping protein untuk berinteraksi dengan ion
logam tertentu. Pearson (1963) menyatakan “asam keras akan lebih memilih
untuk bereaksi dengan basa keras sedangkan asam lunak akan lebih memilih
untuk bereaksi dengan basa lunak”. Tiap-tiap atom pada gugus fungsional suatu
residu asam amino akan lebih memilih berkoordinasi pada ion logam dengan
karakteristik yang sama (keras atau lunak). Berdasarkan penelitian Chakrabarti
(1990) bahwa atom oksigen pada gugus karboksil dari residu asam Aspartat (Asp)
cenderung berkoordinasi dengan ion Na+, Mg2+, K+, dan Ca2+. Dengan prinsip
yang sama, atom nitrogen
gugus imidazol residu Histidin (His) biasanya
cenderung berkoordinasi dengan ion logam transisi seperti Zn2+, Cu+, Cu2+ dan
Pb2+.
Fenomena solvasi ion telah banyak dikaji peneliti, diantaranya penentuan
bilangan koordinasi, laju pertukaran di sekitar ion logam, interaksi antara ion
logam dengan molekul ligan. Fenomena-fenomena ini menjadi sangat diperlukan
mengingat banyak proses kimiawi di alam terjadi pada sistem larutan. Dalam
3
tubuh manusia, terdapat berbagai jenis ion logam yang terhidrasi oleh molekul air.
Interaksi molekul pelarut dan ion mengakibatkan beberapa lapisan larutan
molekul, yang disebut dengan sel pelarutan (Armunanto dkk., 2004).
Gambar I.1 Ilustrasi interaksi ion logam dengan permukaan protein
Pada penelitian ini akan dipelajari interaksi antara ion logam natrium pada
permukaan protein p53 dalam pelarut air. Berbagai penelitian menyebutkan
bahwa protein p53 merupakan protein yang berperan sangat penting dalam tubuh
manusia dimana terlibat berbagai mekanisme anti-kanker, dimana protein ini
dapat meregulasi siklus sel (apoptosis sel dan memelihara stabilitas genom) dan
dapat berfungsi sebagai penekan tumor (Fu dkk., 2012). Struktur kristal protein
p53 dapat diunduh dari database RSCB dengan kode pdb 2IOI. Ligan awal pada
protein p53 yaitu molekul tris(hidroksimetil)aminometana (TRSH). Ligan ini
kemudian dihilangkan sehingga muncul suatu kaviti atau pori yang berpotensi
menjadi situs aktif dari logam natrium. Ion natrium kemudian menempati situs
aktif ini untuk membentuk interaksi non-kovalen dengan protein p53. Simulasi
dinamika molekuler yang dilakukan diharapkan dapat membantu kita dalam
menentukan interaksi residu asam amino yang berkoordinasi dengan logam
natrium, mempelajari dinamika dan struktural hidrasi ion logam Na+ pada molekul
air dan protein p53 sehingga dapat dilihat bilangan koordinasinya dan juga
mempelajari energi bebas ikatan ion logam natrium pada protein p53.
4
I.2 Tujuan Penelitian
1. Mempelajari interaksi ion Na+ dengan residu asam amino pada protein p53
2. Mempelajari struktur dan dinamika hidrasi ion logam Na+ dan molekul air
3. Memperkirakan energi bebas ikatan kompleks protein p53 – ion Na+
I.3 Manfaat Penelitian
Penelitian ini bermanfaat dalam memberi informasi dan mempelajari sifat
struktur dan dinamika ion Na+ pada permukaan protein p53, seperti besar bilangan
koordinasi yang dominan terjadi selama simulasi, dinamika pertukaran molekul
air, dan juga besar energi ikat pada kompleks dengan menggunakan metode
simulasi dinamika molekul.