APLIKASI KIMIA KOMPUTASI DALAM HUBUNGAN STRUKTUR AKTIVITAS SENYAWA ANALOG TURUNAN QUINOLIN DARI Cinchona ledgeriana Moens SEBAGAI ANTIMALARIA Nur Syamsi Dhuha1 , Muhammad Aswad2, Haeria1
1
Jurusan Farmasi, Fakultas Ilmu Kesehatan, UIN Alauddin Makassar Fakultas Farmasi, Universtas Hasanuddin
2
ABSTRACT Study of QSAR explains quantitative relation between molecular structure and biological activity of molecule. QSAR analysis to the 16 analogues of quinoline compound as antimalarial agents had been done by using physicochemical properties like netto atom charge, total energy, binding energy, electronic energi, heat of formation, moment dipol, volume, hydration energi, log P, refractivity, polarisability, mass, HOMO energy, and LUMO energy as predictors. Calculation of the physicochemical properties was conducted with semiempirik AMI method, while the compound activity obtained from literature. Statistical analysis and the best valid equation based on statistical criteria of analytical regression and leave-one-out cross validation. The result showed that physicochemical properties of Quinoline Analogues which correlate to antimalarial activities are partial charge in several atoms and LUMO energy. Keywords: QSAR, Quinoline Analogues, antimalarial
PENDAHULUAN Saat
ini
masalah
malaria kesehatan
terhadap antimalaria, utamanya klorokuin masih
merupakan
utama
yang begitu cepat dan luas dihampir
di
dunia,
seluruh
daerah
diperkirakan 2 milyar penduduk
dunia
mendorong
endemik
perlunya
beresiko terinfeksi malaria. Setiap tahun
menemukan
270 juta orang terinfeksi.Resistensi akibat
(Mustofa dkk, 2002).
pemakaian obat yang tidak tepat juga
obat
malaria,
usaha
untuk
antimalaria
baru
Hubungan kuantitatif struktur dan
banyak terjadi. Diantara keempat spesies
aktivitas
Plasmodia manusia, kasus malaria P.
menghubungkan
falciparum tampaknya lebih dominan dan
deskriptor
juga merupakan penyebab malaria berat
dengan aktivitasnyaAsumsi mendasar dari
yang
HKSA adalah bahwa terdapat hubungan
banyak
Penyebaran
menimbulkan parasit
yang
JF FIK UINAM Vol.2 No.2 2014
kematian. resisten
kuantitatif
(HKSA)
dari
antara
hadir
dalam
struktur suatu
usaha
atau
sifat
senyawa
obat
mikroskopis
(struktur
46
molekul) dan sifat makroskopis/empiris
peroksidatif
hem,
(aktivitas biologis) dari suatu molekul
polimerisasi
non-enzimatiknya
(Istyastono,
hemozoin. Kegagalan menginaktivasi hem
E.,P.,dkk,
2003;
Kubinyi,
1993).
tersebut Park, Kim, dkk telah mensintesis
dan
mengganggu
menyebabkan
menjadi
terbunuhnya
parasit-parasit tersebut melalui kerusakan
beberapa senyawa sintetik dari analog
oksidatif
pada
membran,
protease-
turunan quinolin dan telah diidentifikasi
protease pencerna, dan mungkin melalui
sebagai kandidat senyawa antimalaria
biomolekul-biomolekul kritis lainnya.
yang potensial. Telah dilaporkan bahwa
Di antara berbagai mekanisme
Analog turunan quinolin dengan banyak
yang mungkin untuk kerja kuinolin-kuinolin
variasi struktur memiliki efek antimalaria
malaria, penghambatan polimerisasi hem
yang
tampaknya sangat penting. Berbagai studi
diamati
melalui
penghambatan
pertumbuhan parasit pada tahap lingkar
kinetik
(ring-stage).Dalam
akan
menunjukkan bahwa klorokuin, kuinidin,
digambarkan hubungan antara parameter
dan meflokuin yang diberi label radioaktif
sifat
mula-mula berikatan dengan hem lebih
penelitian
fisikokimia
dengan
ini
aktivitas
yang
dilakukan
lanjut
ditinjau dari nilai Konsentrasi Hambat
kompleks hem-kuinolin ke rantai-rantai
Minimum (KHM) yang mungkin dapat
polimer hem yang sedang dibentuk. Model
membantu dalam pengembangan bahan
penyatuan
antimalaria yang poten.
amodiakuin, kuinakrin, dan kuinin tetapi
ini
bergabung
ini
antimalaria dari analog turunan quinolin
Parasit malaria aseksual tumbuh
dengan
baru-baru
juga
sebagai
diterapkan
untuk
tidak untuk primakuin.
subur di eritrosit inang dengan mencerna
Belum diketahui apakah dengan
hemeglobin di vakoula makanannya yang
dihasilkannya akumulasi hem, kompleks
bersifat
yang
hem-kuinolin, atau keduanya cukup untuk
menghasilkan radikal-radikal bebas dan
membunuh parasit atau dibutuhkan kerja
hem (feriprotoporfirin IX) sebagai produk
antimalaria kuinolin yang lain (Goodman
samping yang sangat reaktif. Setelah
dan Gilman, 2008).
asam,
suatu
proses
proses nukleasi dengan bantuan protein-
Perkembangan dibidang ilmu kimia
protein kaya histidin dan mungkin juga
medisinal terutama pada perancangan
dengan bantuan lipid, hem berpolimerisasi
obat baru yang menggunakan disiplin ilmu
menjadi pigmen malaria yang tidak larut
yang
dan tidak reaktif yang disebut hemozoin.
Kuantitatif
Skizontosid darah kuinolin yang berprilaku
dimulai pada tahun 1964 (Lee et al, 1993).
seperti basa
lemah
dikenal
sebagai
Struktur
Aktivitas
Hubungan (HKSA)
terkonsentrasi di
Studi hubungan antara struktur dan
vakoula makanan tempat senyawa ini
aktivitas biologis menghasilkan dua segi
meningkatkan pH, menghambat aktivitas
penting, yaitu: pertama bahwa hubungan
JF FIK UINAM Vol.2 No.2 2014
47
sistematik
yaitu parameter hidrofobik (π), elektronik
perubahan struktural dalam seri molekul
(σ), dan sterik (Es). Model pendekatan ini
dan
disebut pula model hubungan energi
dapat
diketemukan
pengamatan
antara
perubahan
aktivitas
biologis seri senyawa tersebut. Hal ini
bebas
secara langsung menjelaskan perubahan
relationships = LFER) atau pendekatan
biologik
ekstratermodinamik
dalam
seri
senyawa,
yang
dinyatakan dalam istilah struktur kimia.
linier
(linear
free
energy
(Siswandono
dan
Soekardjo, 2000).
Segi kedua dalam studi hubungan antara struktur dan aktivitas dapat digunakan
METODOLOGI PENELITIAN
sebagai pola penalaran dalam rancangan
Alat dan Bahan
molekul baru yang lebih efektif. Penalaran
Perangkat yang digunakan pada
ini dikembangkan dari informasi tentang
penelitian ini adalah perangkat keras
hubungan antara struktur dan aktivitas
berupa satu set komputeryang mampu
(Sardjoko, 1993).
melakukan perhitungan kimia komputasi
Dalam usaha menginterpretasikan
dengan spesifikasi: Processor tipe AMD
hubungan antara struktur dan aktivitas
Turion (tm) Dual core Mobile
digunakan
Pertama,
2,20GHz , RAM 2,00 GB, dan harddisk
pendekatan gugus atau bagian dalam
231 GB serta perangkat lunak sistem
molekul obat, yang menekankan pada
operasi WindowsTM
gugus kimia tertentu dalam molekul untuk
HyperChem®Relase 7.5, dan SPSS 16.0
menimbulkan aksi. Kedua, pendekatan
for Windows.
dua
pendekatan.
integral yang mempertimbangkan molekul obat
secara
keseluruhan,
terutama
XP
M500
Professional,
Pada penelitian ini digunakan data base
struktur
molekul
dan
aktivitas
mempertimbangkan sifat-sifat fisikakimia
antiplasmodial (IC50) dari enam belas
seperti kelarutan dalam lipida atau air,
senyawa analog turunan alkaloid quinolin
polaritas, distribusi muatan, dan bentuk
yang
sterik.
sintesis Soo Park dkk tahun 2002.
Pada
pendekatan
kedua,
12
senyawa
diantaranya
hasil
penekanan diletakkan pada sumbangan gugus kimia pada parameter fisika kimia senyawa (Sardjoko, 1993). Hansch
(1963),
mengemukakan
suatu konsep bahwa hubungan struktur kimia dengan aktivitas biologis (log 1/C) suatu turunan senyawa dapat dinyatakan secara
kuantitatif
melalui
parameter-
parameter sifat kimia fisika dari substituen JF FIK UINAM Vol.2 No.2 2014
48
Tabel 1. Data aktivitas antimalaria (IC50)
N
Br
dari senyawa analog Quinolin (Park dkk,
N
H O
OSL-9
2002)
530 O CH3
Perkemb-
Kode
N
Rumus Struktur
Senyawa
Br
angan Parasit
N
H O
OSL-10
N
OSL-1
120 O
290
CH3
N H
H OH
N
Br
N
OSL-2 H
51
N H
H
N
OH
OSL-11
OH
510 O
N
O
CH3
N H
H
OSL-3
CH3
4
OH
N
Br
O H
CH3
N
O
OSL-12
230
N
O O
CH3
N H
H
OSL-4
CH3
120
OH
N
O
Br
CH3 H N
N
O
Br
OSL-13
100 O
H
N
O
CH3
OH
OSL-5
CH3
160 O CH3
N
Br
H N
Br
N
OH
OSL-14 OSL-6
99
N
H
O
O
580
O
CH3
CH3
O CH3
N
N
Br
Br H
H
N
O
N
OSL-15
O
OSL-7
410
63
O O
CH3
CH3
O CH3
N
N
Br
Br H
H
N
O
N
OSL-16
150
OH
OSL-8
O
160
CH3
O CH3
O CH3
Chloroquine
JF FIK UINAM Vol.2 No.2 2014
-
36
49
persamaan terbaik hasil validasi silang Optimasi Geometri dan Perhitungan
yang diperolehlah yang digunakan untuk
Prediktor
memprediksi harga aktivitas antimalaria
Setiap
senyawa
dibuat
model
teoritif setiap senyawa.
struktur tiga dimensinya menggunakan paket program ACD/Chemsketch 12.0 kemudian disimpan dalam bentuk tipe file
HASIL DAN PEMBAHASAN Setelah
melakukan
perhitungan
MDL MOL. Struktur kemudian dioptimasi
prediktor-prediktor terhadap 16 senyawa
geometri
untuk
analog quinolin, maka data-data tersebut
memperoleh konformasi struktur yang
diolah dengan menggunakan program
paling
metode
software SPSS 16,0. Parameter yang
semiempirik AM1 kemudian melakukan
digunakan terdiri dari deskriptor muatan
perhitungan
bersih atom yakni C1,C2, C3, C4, C5, C6,
(minimasi
stabil
energi)
menggunakan single
point
untuk
memperoleh nilai prediktor-prediktor.
N7, C8, C9, C10, C11, C12, C13, C14, C15, C16,
Penentuan besaran prediktor
N17, C18, C19, C20, dan C21. Adapun
Prediktor atau deskriptor ditentukan
deskriptor molekular terdiri dari Energi
besarannya dengan menggunakan sub
Total, Energi Ikat, EnergiElektronik, Log P,
program
program
Polarisibilitas, Refraktifitas, Hidrasi Energi,
HyperChem yaitu QSAR Properties dan
Massa, panas pembentukan, Volume, µ,
data file.log hasil perhitungan single point
EHOMO, dan ELUMO.
prediktor
pada
®
Analisis Statistik Dengan program SPSS 16.0 for windows
dilakukan
analisis
regresi
multilinier dimana parameter-parameter yang telah terkumpul digunakan sebagai variabel
bebasdan
log
IC50
sebagai
variabel tak bebas.
Model persamaan terpilih hasil
Pemilihan model persamaan terbaik
analisis regresi multilinier disajikan pada
hasil analisis regresi multilinier dilakukan
tabel dibawah ini berjumlah 22 persamaan
dengan
dengan
statistik
mempertimbangkan F,
R,
2
R,
dan
persamaan
yang
divalidasi
keakuratan
parameter SE.
terpilih
kriteria
berupa
R
Model
(koefisien korelasi), Standard Error, F, dan
kemudian
Sig dengan melibatkan lima hingga enam
prediksinya
menggunakan metode leave-one-outcross
prediktor. Tabel 2. Data 22 Model Persamaan
validation (validasi silang kurang satu)
Terbaik
dengan
Multilinier
mempertimbangkan
statistik
parameter
Hasil
Analisis
Regresi
statistik PRESS, SD, dan r2cv. Model JF FIK UINAM Vol.2 No.2 2014
50
N O 1
Nama Prediktor
SE
17 LUMO,
0,181
19,522
q3,q8,q14,q15,q2 2
LUMO,
0,179
LUMO,
19,962
21,107
q3,q8,q14,q15,q11 4
LUMO,
19,450
q3,q8,q14,q15,q12 5
LUMO,
21,040
LUMO,
LUMO,
0,182
19,452
22
LUMO,
0,166
10
LUMO,
LUMO,
LUMO,
LUMO, q3, q8,
Untuk 0,159
25,937
21,880
0,165
23,818
0,172
21,974
0,172
25,907
0,182
19,438
menguji
validitas
dan
keakuratan prediksi yang dihasilkan oleh analisis metode
regresi validasi
multilinierdigunakan silang
leave-one-out.
q3,q8,q14,q15,Eele
Parameter
ktronik
memperoleh model persamaan terbaik
LUMO,
0,162
24,932
q3,q8,q14,q15,
LUMO,
yang
digunakan
untuk
meliputi nilai PRESS, SDPRESS, dan r2cv. Tabel 3. Data Hasil Validasi Silang
panas pmbntukan 11
0,172
23,715
q3,q8,q14,q15,q21 9
LUMO,
q14, q15
q3,q8,q14,q15,q19 8
23,002
men dipol
q3,q8,q14,q15,q16 7
0,168
q3,q8,q14,q15,mo
q3,q8,q14,q15,q13 6
LUMO,
q3,q8,q14,q15,q20 21
0,175
19,430
q3,q8,q14,q15,q18 20
0,182
0,182
q3,q8,q14,q15,q17 19
0,175
LUMO, q3,q8,q14,q15,q10
18
q3,q8,q14,q15,q9 3
q3,q8,q14,q15,q7
F
Metode 0,179
19,986
Leave-One-Out
terhadap 22 Persamaan Terpilih
q3,q8,q14,q15,Ehid rasi 12
13
NO
LUMO,
0,179
q3,q8,q14,q15,q1
6
LUMO,
0,182
19,937 1
19,431 2
q3,q8,q14,q15,q4 14
LUMO,
0,167
23,339
3
q3,q8,q14,q15,q5 4
15
LUMO,
0,178
20,340
q3,q8,q14,q15,q6 16
LUMO,
5
0,177
JF FIK UINAM Vol.2 No.2 2014
Nama Prediktor LUMO, q3,q8,q14,q15, q2 LUMO, q3,q8,q14,q15,q9 LUMO, q3,q8,q14,q15,q11 LUMO, q3,q8,q14,q15,q12 LUMO, q3,q8,q14,q15,q13
R
R2
PRESS
0.881
0.776
0.989
0.881
0.777
0.949
0.892
0.795
0.869
0.87
0.757
1.044
0.881
0.776
0.949
20,460
51
6
7
8
LUMO, q3,q8,q14,q15,q16 LUMO, q3,q8,q14,q15,q19 LUMO, q3,q8,q14,q15,q21
0.143
0.02
819.434
0.919
0.844
0.662
0.913
0.833
0.711
Diperoleh
model
q3,q8,q14,q15,Eele
(4,864±0,892)qC3 + (96,375±14,459)qC8 –
0.871
0.759
(209,688±44,377)qC1
1.04
4
LUMO, q3,q8,q14,q15,
0.27
0.073
(4,562±3,681)qN17 +
LUMO, q3,q8,q14,q15,Ehid
-
(35,730±8,601)qC15 –
1404.92
panas pmbntukan
11
model
Log (1/IC50) = (-18,553±5,169) +
ktronik
10
sebagai
terbaik, yakni:
LUMO, 9
18
(2,325±0.330) ELUMO 0.893
0.798
0.863
0.049
0.002
1003.584
rasi
13
14
15
16
17
18
19
20
LUMO, q3,q8,q14,q15,q1 LUMO, q3,q8,q14,q15,q4 LUMO, q3,q8,q14,q15,q5 LUMO, q3,q8,q14,q15,q6 LUMO, q3,q8,q14,q15,q7 LUMO, q3,q8,q14,q15,q10 LUMO, q3,q8,q14,q15,q17 LUMO, q3,q8,q14,q15,q18 LUMO, q3,q8,q14,q15,q20
q3,q8,q14,q15,mo
0.856
0.732
1.257
0.918
0.844
0.657
LUMO, q3, q8, q14, q15
aktifitas
18
terhadap
0.897
0.804
0.839
0.526
0.277
6.366
0.763
1.046
0.92
0.847
0.654
0.909
0.826
0.734
0.906
0.821
0.744
dengan
eksperimen
dengan
0.417
9.109
0.903
0.815
0.786
Log
0 -2 -1 y = 0.8842x - 0.2751 R² = 0.8467
-0.5
0
-1 -1.5 -2 -2.5 -3
Y Prediksi 0.646
cara
(1/IC50)prediksi. -3
0.873
farmakologi
membuat grafik linier antara nilai Log (1/IC50)
men dipol 22
model
aktivitas biologisuntuk memprediksi harga
LUMO, 21
Pengujian
Y eksperimen
12
-3.5
Gambar 2. Grafik Linear antar nilai Log (1/IC50) eksperimen dengan Log (1/IC50) prediksi Persamaan 18 Dari hasil gambar tersebut maka dapat diketahui bahwa model persamaan 18 mampu memprediksi dengan cukup baik aktifitas farmakologi dari analog quinolin walaupun masih ada beberapa nilai aktifitas prediksi yang perbedaannya cukup jauh, namun hal ini didukung
JF FIK UINAM Vol.2 No.2 2014
52
dengan nilai koefisien korelasi (R) yang
terdepan
cukup baik yakni sebesar 0,92.
Theory). Interaksi antara sebuah orbital
Meninjau
dari
persamaan
(Frontier
Molecular
Orbital
yang
kosong dan sebuah pasangan elektron
telah didapatkan, maka deskriptor yang
terjadi secara efektif antara sebuah Homo
berpengaruh
aktivitas
dari suatu spesies dan sebuah Lumo dari
antimalaria analog quinolin adalah muatan
spesies yang lain (Leach, 1996; Anonim,
atom pada atom nomor C3, C8, C14, C15,
2010).
terhadap
N17, dan ELUMO.
Selisih nilai energi HOMO dan
Deskriptor
yang
terlibat
dalam
energi LUMO menentukan kerentanan
persamaan di atas adalah salah satu dari
suatu
parameter-parameter elektronik dimana
sepasang elektron kepada suatu senyawa
kita ketahui bahwa sifat-sifat elektronik
elektrofil atau untuk menerima sepasang
dari
elektron dari senyawa nukleofil. Dengan
senyawa
keseluruhan
sangat
sifat
mempengaruhi
kimia
fisika
molekul
untuk
mendonorkan
dari
demikian, ELUMO adalah prediktor yang
senyawa tersebut. Sifat-sifat elektronik
merupakan suatu ukuran yang sangat
juga berperan dalam menunjang orientasi
penting
spesifik molekul pada permukaan reseptor
molekul (Kier, 1971; Thomas dan William,
sehingga mempengaruhi interaksi dengan
2009).
obat karena hanya obat dengan spesifitas yang
tinggi
yang
dapat
berinteraksi
dengan reseptor biologis.
erat
dengan
aktivitas
ELUMO
dari
elektronegativitas semakin
senyawa
maka
melalui pembentukan oksigen reaktif yang
meningkat.
transportasi
persamaan
reaktivitas
maka
bahwa
malaria sebagai mediator oksidasi reduksi
mempengaruhi
penentuan
Dengan melihat konstanta positif
dikatakan
Sifat-sifat elektronik inikemungkinan berhubungan
dalam
aktivitas
dari
dapat
peningkatan senyawa
bersifat
atau
elektrofilik
antimalaria
dapat
elektron
parasit.
Desain Senyawa Turunan Baru
Deskriptor yang berperan selain
Hasil percobaan desain senyawa
muatan bersih atom adalah ELUMO. Energi
dan aktivitasnya disajikan pada tabel di
orbital
bawah
(Highest
tertinggi
yang
Occupied
terisi
Molekular
elektron Orbital,
HOMO) dan energi orbital terendah yang
ini
yang
merupakan
prediksi
senyawa baru berdasarkan perhitungan aktifitas biologis senyawa.
tak terisi elektron (Lowest Unoccupied Molekular Orbital) adalah prediktor kimia kuantum yang bertanggung jawab dalam pembentukan
kompleks
perpindahan
muatan. Menurut teori orbital molekular JF FIK UINAM Vol.2 No.2 2014
53
Tabel 5.
Data struktur baru senyawa
analog
Quinolin
dan
aktifitas
biologisnya (IC50). Senya wa
1
R
R1
R3
2
R
IC50
4
(nM) 5,19
CH2OC
H
O H
H3
x 104
3,69 2
NH2
H
O H
7x 10
-4
KESIMPULAN Persamaan HKSA terbaik pada senyawa aktif antimalaria Analog Quinolin dari
Tumbuhan
Cinchona
Ledgeriana
Moens adalah : Log (1/IC50) = (-18,553±5,169) + (4,864±0,892)qC3 + (96,375±14,459)qC8 – (209,688±44,377)qC1 4
-
(35,730±8,601)qC15 – (4,562±3,681)qN17 + (2,325±0.330) ELUMO
Diperoleh
struktur
senyawa
turunan baru dengan mengacu pada hasil regresi persamaan terbaik dengan nilai IC50 sebesar 3,697 x 10-4 nM. KEPUSTAKAAN Davis, Charles, MD, PhD, dan William C. Shiel Jr., MD, FACP, FACR. Malaria.www.medicineNet.com/mal aria/article.htm, Diakses 21 Oktober 2010 10:30 pm.
JF FIK UINAM Vol.2 No.2 2014
Goodman dan Gilman. Dasar Farmakologi Terapi, Ed. 10, Vol 2. Jakarta: Penerbit Buku Kedokteran EGC. 2003 Istyastono E,P, Martono. Dan Sudibyo Martono. Majalah Farmasi Indonesia (16)4. Hubungan Kuantitatif Struktur – Aktivitas Kurkumin dan Turunannya sebagai Inhibitor GST Kelas μ. Yogyakarta:Universitas Gajah Mada. 2005 Kier, L. B. Molecular Orbital Theory in Drug Research. New York: Academic Press. 1971. Kubinyi, H., QSAR: Hansh Analysis and Related Approaches. Weiheim: VCH Verlagsgesellschaft. 1993 Lee, K. W., Quantitative Sturcture-Activity Relationships (QSAR) Study on C7 Substituted Quinolone. Bull, Korean Chem Soc. 17. 1996 Mustofa dkk., Kajian QSAR Senyawa Antimalaria Turunan 1,10Fenantrolin Menggunakan Deskriptor Elektronik Hasil Perhitungan Metoda Semiempirik AM1, Yogyakarta:Universitas Gajah Mada. 2002 Nogrady, Thomas,. Kimia Medisinal, Pendekatan Secara Biokimia. Bandung: Intstitut Teknologi Bandung. Bandung. 1992 Park, Byeoung-Soo, dkk. Synthesis and Evaluation of New Antimalarial Analogues ofQuinoline Alkaloids Derived from Cinchona ledgeriana MoensexTrimen. Elsevier Science Ltd. 2002 Purcell, W.P., Quantitative StructureActivity Relationships. in Bergmann. E.D., Pullman B. Molecular and Quantum Pharmacology. Dordrecht,Reidel Publishing Company. 1974
54
Sardjoko., Rancangan Obat. Yogyakarta :Gadjah Mada University Press. 1993 Siswandono dan Soekardjo, Kimia Medisinal. Surabaya: Airlangga University Press. 2000 Widiyantoro, P. Hubungan Kuantitatif Antara Struktur Aktivitas pada N,N-Dimetil2-Bromo-Fenelitamin Tersubstitusi menggunakan metode semiempiris AM1. Yogyakarta: FMIPA UGM. 1997
JF FIK UINAM Vol.2 No.2 2014
55
