Penentuan Interaksi dan Energi Pengikatan Enzim DNA Pol I Taq Terhadap DNA, dCTP, dan Ion Pirofosfat dengan Simulasi Dinamika Molekul Rabu, 26 Mei 2010 Khabib Khumaini ( ) Pembimbing : Dr. Rukman Hertadi Dr. Santi Nurbaiti

DNA POLIMERASE I BIOTEKNOLOGI PRODUK UNGGUL REKAYASA GENETIKA DNA POL I Pol I Taq CEPAT TERMOSTABIL KURANG AKURAT EKSPLORASI

Tujuan Penelitian  Mempelajari interaksi antara DNA pol I Taq dengan dCTP dan produk (ion Pirofosfat)  Menentukan residu-residu yang berperan penting dalam afinitas DNA pol I Taq

DNA POLIMERASE I  In vivo :  Mendegradasi primer dan menggantinya dengan DNA pada replikasi  Memperbaiki untai DNA yang rusak  In vitro  Katalis untuk reaksi polmirisasi di mesin PCR

Tahapan Reaksi Enzimatis DNA Pol I

Tahap Keadaan Enzim Bebas

Tahap Pengikatan DNA dan dNTP

Tahap Perubahan Menjadi Kompleks Teraktivasi (E':p/t:dNTP) Studi Kristalografi Tahap pergerakan subdomain finger dari open ke closed merupakan tahap yang lambat dan penentu laju

Studi Biofisik dan MD  Purohit (2003) : pada KF, Soon-Jong Kim (2003) : pada pol ß, Paul J. Rothwell (2005) : klentaq  pergerakan subdomain finger berlangsung cepat  penentu laju berlangsung pasca transisi closed dan disebabkan penataan lokal pada sisi aktif  Pada pol ß : tahap penentu laju diduga adalah rotasi Arg258  Saran mekanisme :  pengikatan dNTP:Mg 2+ ke pol β konformasi open  pengikatan Mg 2+ ke pusat aktif  Perubahan konformasi dari open ke closed (cepat)  penataan ulang residu-residu asam amino di pusat aktif, rantai template, rantai primer, dan ion Mg 2+ (lambat)  reaksi kimia  pelepasan ion Mg 2+ dari sisi katalitik  perubahan konformasi dari closed ke open  pelepasan PPi:Mg 2+

Studi Biofisik (II)  Paul J. Rothwell (2007) : klentaq  tetapan laju reopening yang berlangsung pasca reaksi kimia memiliki laju jauh lebih lambat dibandingkan closing pada sebelum reaksi  Tetapan reaksi k 3 dan k -3 sekitar 8 s -1 dan 20 s -1 sedangkan tetapan laju reopening sekitar s -1.

Mekanisme reaksi kimia

Metodologi Penelitian  Alat  Komputer  Program AMBER 10  Program VMD (Visualizing Molecular Dynamic) versi 1.87  Program GNUplot versi 4.4  Bahan  Struktur 3D protein dengan kode 1KTQ, 2KTQ, dan 3KTQ SIMULASI : 1.PENGIKATAN dCTP DALAM ENZIM-DNA KONFORMASI OPEN 2.PENGIKATAN dCTP DALAM ENZIM-DNA KONFORMASI CLOSED 3.PENGIKATAN PIROFOSFAT DALAM ENZIM-DNA PASCA REAKSI 4.ENZIM-DNA PASCA REAKSI 5.PENGIKATAN dTTP DALAM ENZIM-DNA KONFORMASI OPEN (SALAH PENGIKATAN)

Hasil dan Pembahasan : PENGIKATAN dCTP DALAM ENZIM-DNA KONFORMASI OPEN PENGIKATAN dCTP SPONTAN

Hasil dan Pembahasan ( 0 ns) : PENGIKATAN dCTP DALAM ENZIM-DNA KONFORMASI OPEN K663 R573 dCTP TEMPLATE O-HELIKS

Hasil dan Pembahasan (5.5 ns) PENGIKATAN dCTP DALAM ENZIM-DNA KONFORMASI OPEN R573 TEMPLATE JIKA DIMUTASI ENERGI PENGIKATAN 8 KKAL LEBIH POSITIF O-HELIKS

Hasil dan Pembahasan PENGIKATAN dCTP DALAM ENZIM-DNA KONFORMASI CLOSED PENGIKATAN dCTP SPONTAN

Hasil dan Pembahasan PENGIKATAN dCTP DALAM ENZIM-DNA KONFORMASI CLOSED R650 K663 R573 dCTP O-heliks BILA DIMUTASI MENJADI ALANIN, ENERGI PENGIKATAN MENJADI LEBIH POSTIF 13 kkal 12.1 kkal 5 kkal

BUKTI EKSPERIMEN  ΔΔ G = Δ G binding-closed – Δ G binding-open =-42 kcal  Paul J. Rothwell (2007) :  Perubahan konformasi dari open ke closed sangat cepat. Umumnya setelah mengikat dNTP langsung diikuti perubahan konformasi K D4 =96.4 µM Δ G D4 = -23 kJ = - 6 kkal

Hasil dan Pembahasan Pelepasan Ion Pirofosfat Pasca Reaksi Kimia SUPERIMPOSISI MERAH = 0 ns BIRU = 8 ns TERJADI REOPENING

Hasil dan Pembahasan (0 ns) Pelepasan Ion Pirofosfat Pasca Reaksi Kimia K663 R650 ION PIROFOSFAT UJUNG PRIMER

Hasil dan Pembahasan (8 ns) Pelepasan Ion Pirofosfat Pasca Reaksi Kimia R650 K663 K831 ION PIROFOSFAT

BUKTI EKSPERIMEN  BERDASARKAN SIMULASI :  Tahap reopening dan pelepasan pirofosfat tidak disukai ( ΔG pelepasan = +64 kkal)  Paul J. Rothwell (2007) :  Tahap reopening dan pelepasan fosfat merupakan tahap penentu laju tetapan laju reopening sekitar s -1.

KESIMPULAN  Energi pengikatan dCTP pada konformasi open sebesar – 76 kkal sedangkan pada closed -118 kkal  Energi pelepasan ion pirofosfat sebesar 64 kkal  Tahap reopening pasca reaksi jauh lebih tidak spontan dibandingkan penutupan sebelum reaksi  Residu Lys831 menghambat pelepasan ion pirofosfat  Residu Arg660 dan Lys663 menstabilkan dCTP pada konformasi closed  Residu Lys573 menstabilkan dCTP pada konformasi open

Ucapan Terima Kasih  Dr. Rukman Hertadi dan Dr. Santi Nurbaiti selaku dosen pembimbing  Rekan-rekan di Lab Kimia Komputasi  Rekan-rekan dan petugas di Lab Biokimia  Seluruh yang telah banyak membantu saya SPESIAL UNTUK…… ANGKATAN 2006 YANG TELAH MENGAJARKAN BANYAK HAL KE SAYA KALIAN ADALAH KELUARGAKU

DNA pol  Ada 7 tipe :  (A) Klentaq1 (famili A)  (B) DNA pol RB69 (famili B)  (C) pol β (famili X)  (D) DNA pol Dpo4 (famili Y)  (E) subunit p66 reverse tranciptase (famili RT)  Sisanya famili C dan D

SUPERIMPOSISI BIRU = 0 ns MERAH = 6 ns

SUPERIMPOSISI BIRU 0 ns MERAH 6 ns