Jurnal Kesehatan Bakti Tunas Husada Volume 12 No 1 Agustus 2014
HUBUNGAN KUANTITATIF STRUKTUR-AKTIVITAS ANTIBAKTERI TURUNAN BENZIMIDAZOL MENGGUNAKAN METODE PM3 Saeful Amin Program Studi S1Farmasi Sekolah Tinggi Ilmu Kesehatan Bakti Tunas Husada Tasikmalaya ABSTRAK
Telah dilakukan analisis Hubungan Kuatitatif Struktur-Aktivitas (HKSA) antibakteri dari empat belas senyawa turunan benzimidazole berdasarkan perhitungan sifat kimia senyawa. Parameter yang digunakan dalam penelitian ini adalah parameter hidrofobik, elektronik, dan sterik. Data parameterparameter tersebut diperoleh dari struktur hasil optimasi geometri menggunakan metode semiempirik PM3 sedangkan aktivitas biologis senyawa diperoleh dari jurnal penelitian (Log MIC). Analisis hubungan antara aktivitas antibakteri dan sifat senyawa dilakukan dengan metode Multiple Liniear Regression (MLR). Hasil analisis memberikan model persamaan terbaik sebagai berikut : Log MIC= -2,751(±0,667) Log P - 0,096(±0,294) EHOMO - 1,327(±0,856) ELUMO - 0,056 (±0,010) MW +0,334(±0,070) MR - 0,824(±0,197) dipole + 4,784(±2,798) n=14; r=0,960; r2=0,921; SD=0,153 ; F=13,604 Kata Kunci : HKSA, Antibakteri, senyawa benzimidazole, PM3
ABSTRACT Analysis Qualitative Structure-Activity Relationship ( QSAR) antibacterial of the fourteen compounds derivatives of benzimidazole based on calculation of chemical properties of the compound has done. The parameters used in this research is the parameter of the hydrophobic, electronic, and sterik. The parameters of Data retrieved from a geometry optimization results structure using the semiempirik method of the biological activity of the compound while the PM3 obtained from research journals (Log MIC). Analysis of the relationship between antibacterial activity and properties of compounds made by the method of Multiple Regression Liniear (MLR). Results of the analysis provide the best equation model is as follows: Log MIC= -2,751(±0,667) Log P - 0,096(±0,294) EHOMO - 1,327(±0,856) ELUMO - 0,056 (±0,010) MW +0,334(±0,070) MR - 0,824(±0,197) dipole + 4,784(±2,798) n=14; r=0,960; r2=0,921; SD=0,153 ; F=13,604 Key words: hksa, antibacterial, compound benzimidazole, pm3
Aktivitas
PENDAHULUAN Perkembangan
kimia
(HKSA)
atau
Quantitative
komputasi
Structure-Activity Relationship (QSAR).
mengalami fase percepatan pada dekade
Hal ini sinergis dengan perkembangan
terakhir ini. Salah satu disiplin ilmu yang
penemuan obat baru yang semakin lama
sangat terbantu dengan perkembangan
diharapkan semakin efektif dan efisien
tersebut adalah kimia medisinal, terutama
(Siswandono, 2000).
untuk studi Hubungan Kuantitatif Struktur
Pada perkembangannya studi HKSA 254
Jurnal Kesehatan Bakti Tunas Husada Volume 12 No 1 Agustus 2014
digunakan sebagai dasar acuan dalam
benzimidazole
pengembangan
untuk diteliti (Kuzmanovic et al., 2009).
pendekatan
kimia
masih
cukup
menarik
medisinal. Studi HKSA meliputi studi penemuan senyawa baru, studi kimia anorganik
dan
studi
kimia
organik.
METODE PENELITIAN Bahan Penelitian Bahan
Hubungan pendekatan prediksi reaktifitas senyawa di dalam tubuh
meliputi fase
ADME (absorpsi, distribusi, metabolisme dan ekskresi) sangat dibutuhkan untuk safety
drug
issue.
berhubungan
dengan
Hal
tersebut
reaktifitas
dan
toksisitas suatu senyawa yang dapat di prediksi menurut HKSA (Tahir, 2005). Dalam
beberapa
tahun
terakhir,
derivatif benzimidazole telah menarik
yang
digunakan
berupa
senyawa turunan benzimidazole yang berjumlah 14 senyawa, diperoleh dari jurnal "QSAR Analysis of 2-Amino or 2Methyl-1-Substituted
Benzimidazoles
Pseudomonas
Against
aeruginosa“
(Kuzmanovic et al., 2009). Data senyawa dengan aktivitas biologi terdapat pada Tabel 1. Untuk struktur induk terdapat pada Gambar 1.
minat para peneliti karena aktifitas sebagai antibakteri. Meskipun berbagai derivatif benzimidazole
telah
diketahui,
tetapi
perkembangan baru dan strategi untuk mensintesis
aktifitas
biologi
baru
Gambar 1. Struktur induk
Tabel 1. Data aktivitas biologi Senyawa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
MIC (μg/mL) 50 25 12,5 6,25 50 12,5 6,25 100 50 25 12,5 100 25 12,5
Alat Penelitian Penelitian ini menggunakan piranti
Log MIC 1,69897 1,39794 1,09691 0,79588 1,69897 1,09691 0,79588 2,00000 1,69897 1,39794 1,09691 2,00000 1,39794 1,09691
lunak Microsoft Word, Microsoft Office Excel 2007, ChemOffice 8.0,dan Statistica
keras Intel Pentium(R) Dual-Core CPU
7.
T4400 @2.20GHz (2 CPUs), memori fisik
Prosedur Penelitian
2 GB, memori grafik 796 MB. Piranti
Pemodelan Struktur Molekul 255
Jurnal Kesehatan Bakti Tunas Husada Volume 12 No 1 Agustus 2014
Pemodelan struktur molekul senyawa turunan
benzimidazole
menggunakan
perangkat lunak ChemOffice 8.0 yang disesuaikan
dengan
data
dengan mempertimbangkan nilai-nilai R, F, SE, dan PRESS. Validasi Persamaan
literatur.
Pengujian data dilakukan terhadap 14
Pemodelan molekul senyawa ini dibuat
data uji. Dari ke 14 data uji ini dilakukan
secara manual dalam bentuk 2 dimensi
perhitungan nilai prediksi dari model
pada program ChemDraw Ultra 8.0
persamaan regresi terbaik. Kemudian
kemudian dikonversi menjadi bentuk 3
dicari selisih dari nilai eksperimen dengan
dimensi pada program Chem3D Ultra 8.0.
prediksi
Prediksi Aktivitas
residualnya, setelah itu dicari nilai PRESS
sehingga
diperoleh
nilai
Aktifitas biologi senyawa turunan
dari tiap senyawa. Nilai PRESS berfungsi
benzimidazole dapat diprediksi dengan
untuk mengetahui keakuratan dari model
hasil perhitungan descriptor pada software
persamaan yang dipilih sebagai model
ChemOffice 8.0.
persamaan terbaik (Siswandono, 2000).
Pemilihan dan Perhitungan Deskriptor Setelah dilakukan optimasi struktur senyawa
turunan
benzimidazole,
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Pemodelan Molekul Senyawa Dari literatur, diperoleh 14 senyawa
dilakukan dengan metode perhitungan semi-empirical
PM3
menggunakan
algoritma Polak-Ribiere hingga mencapai energi minimum dengan RMS (Root Mean Square) gradien 0,01 kcal/mol Å. Maka deskriptor yang akan dihitung adalah deskriptor Log P, Energi HOMO, Energi LUMO, Dipole, Molecular Weight dan
dilakukan
dengan
metoda semiempirik PM3 yang sudah dioptimasi
senyawa dibuat dalam model molekul dua dimensi pada software ChemDraw Ultra 8.0. Kemudian dirubah kedalam bentuk tiga
dimensi
kemudian
di
compute
properties pada menu compute properties pada software Chem3D Ultra 8.0. Analisis Persamaan HKSA Analisis Persamaan HKSA dilakukan setelah dilakukan analisis statistik dengan Multiple Linear Regression (MLR), akan didapatkan beberapa model persamaan. Model-model tersebut diuji validitasnya
menggunakan
software
Chem3D Ultra 8.0. Pemodelan senyawa ini
bertujuan agar dapat dilakukan
perhitungan
Molar Refractifity Perhitungan
turunan benzimidazole. Masing-masing
karakteristik
kimia
dari
masing-masing senyawa tersebut sehingga diperoleh nilai deskriptor yang mencakup deskriptor
hidrofobik,
elektronik
dan
sterik. Setiap senyawa yang dimodelkan dalam penelitian ini dilakukan minimize energy. Hal tersebut dilakukan agar diperoleh suatu model senyawa yang mempunyai nilai energi molekul yang sesuai yakni mempunyai nilai energi paling kecil artinya stabil, sehingga dalam 256
Jurnal Kesehatan Bakti Tunas Husada Volume 12 No 1 Agustus 2014
perhitungan deskriptor yang dilakukan
mudah masuk kedalam sel atau kedalam
untuk setiap senyawa dapat memperoleh
reseptor
hasil yang tepat.
elektronik diperlukan untuk memprediksi
Hasil
Penentuan
dan
Perhitungan
dan
sebaliknya.
kecenderungan
dari
Parameter
senyawa
dalam
berikatan dengan reseptor atau senyawa
Deskriptor Deskriptor
yang
digunakan
lainnya. Harus adanya ketiga parameter
merupakan parameter-parameter dalam
diatas
sangat
diperlukan
model HKSA Hansch yang meliputi
memprediksi
parameter hidrofobitas yang diwakili oleh
turunan benzimidazole terutama toksisitas
Log P; parameter elektronik yang diwakili
pada genetik.
oleh High Occupied Molecular (HOMO),
Pada
toksisitas
pemilihan
untuk
dari
senyawa
deskriptor
yang
Low Oncupied Molecular (LUMO), dan
mencakup tiga parameter diatas dilakukan
Dipole; parameter sterik diwakili oleh
secara
Molecular Weight (MW) dan Molecular
deskriptor yaitu Log P
Refractivity
nilai
koefisien partisi n-oktanol/air), HOMO
dengan
(Highest Occupied Molecular Orbital),
(MR).
deskriptor
Perhitungan
dilakukan
acak
dan
didapatkan
enam
(logaritma
menggunakan program ChemDraw Ultra
LUMO
8.0 dan Chem3D Ultra 8.0, menggunakan
Orbital), MW (Molecular weight), MR
metode
(Molar refractivity), dipole. Kemudian ke
semiempirik
PM3
(Lowest unoccupied Molecular
(Parameter Model Number Three).
enam deskriptor tersebut dihitung sifat
Pemodelan Persamaan HKSA dengan
fisikokimianya
MLR (Multiple Linear Regression)
mekanika kuantum semiempirik PM3
Dalam
menentukan
parameter
dengan
menggunakan
bantuan
perangkat
metode
lunak
fisikokimia sebagai deskriptor toksisitas
chemdraw ultra versi 8.0. dari ke enam
terlebih dahulu dipilih beberapa deskriptor
deskriptor tersebut dilakukan perhitungan
secara acak, tetapi mencakup pada tiga
statistika
paremeter yaitu hidrofobik, strerik, dan
statistika 7 dengan model Multiple Linear
elektronik.
Regression
Parameter
diperlukan
untuk
hidrofobik memprediksi
kecenderungan kelarutan senyawa dalam pelarut
dan
ini
berguna
untuk
memakai
perangkat
lunak
(MLR) dan dihasilkan
data yang ditunjukan pada Tabel 2. Dari perhitungan Tabel 2 dihasilkan enam
deskriptor
yang
sesuai
untuk
memprediksi mudah atau tidaknya suatu
mendeskripsikan toksisitas yaitu Log P,
senyawa
HOMO (Highest Occupied Molecular
diabsorpsi
dalam
saluran
pencernaan atau masuknya kedalam sel.
Orbital), LUMO
Parameter
untuk
Molecular Orbital) , MW (Molecular
memprediksi suatu senyawa, semakin
weight), MR (Molar refractivity), Dipole.
kecil halangan sterik maka semakin
Dari ke enam deskriptor yang didapat
sterik
diperlukan
(Lowest unoccupied
257
Jurnal Kesehatan Bakti Tunas Husada Volume 12 No 1 Agustus 2014
mencakup tiga parameter yaitu Log P merupakan
wakil
dari
Persamaan di atas bisa disimpulkan
parameter
semakin tinggi nilai Log P, HOMO, MR,
hidrofibitas, HOMO,LUMO,Dipole wakil
Dipole dan semakin kecil nilai LUMO dan
dari parameter elektronik, sedangkan MW
MW, maka semakin toksik. Toksisitas
dan MR wakil dari parameter sterik.
turunan senyawa benzimidazole yang
Analisis Persamaan HKSA
dinyatakan dari berbagai data diatas bisa
Pemilihan Persamaan Terbaik
dijelaskan korelasinya dengan deskriptor
Dalam menentukan model persamaan
yang diberikan pada persamaan diatas.
antara deskriptor terhadap Log MIC,
Pada deskriptor Log P menyatakan
didapatkan persamaan terbaik sebagai
semakin besar log P maka lebih toksik, hal
berikut :
ini dikarenakan apabila Log P semakin
Log MIC= -2,751(±0,667)Log P
besar
maka
akan
-0,096(±0,294)EHOMO
kelarutannya
-1,327(±0,856)ELUMO
semakin tingginya kelarutan pada lemak
-0,056 (±0,010)MW
akan lebih mudah diabsorpsi pada saluran
+0,334(±0,070)MR
pencernaan untuk masuk ke sistemik dan
-0,824(±0,197)dipole
masuk pada sel. Mudah masuknya pada
+4,784(±2,798)
sel akan lebih mempermudah untuk
2
dalam
mempertinggi
turunan
lemak,
n=14; r=0,960; r =0,921; SD=0,153 ;
senyawa
F=13,604
mengganggu rangkaian DNA
dengan
benzimidazole
ini
Tabel 2. Tabel Hasil Perhitungan Multiple Linear Regression (MLR) Beta
Std.Err.of Beta
Intercept
T(7)
p-level
4,78472
Std.Err.of Beta 2,798391
1,70981
0,131046
B
Log P
-6,72091
1,627748
-2,75142
0,666371
-4,12897
0,004410
HOMO
-0,09311
0,285027
-0,09614
0,294285
-0,32667
0,753466
LUMO
-0,74635
0,481383
-1,32686
0,855804
-1,55043
0,164973
MW
-6,85734
1,226952
-0,05635
0,010082
-5,58893
0,000825
MR
11,85576
2,492542
0,33437
0,070298
4,75649
0,002068
Dipole
-4,52793
1,083790
-0,82398
0,197225
-4,17787
0,004148
dalam inti sel. Energi HOMO berkaitan
elektron suatu senyawa. Energi LUMO
dengan sifat mendonorkan elektron suatu
yang
senyawa, energi HOMO yang tinggi
hambatan
berarti kemampuan mendonorkan elektron
semakin rendah. MW (Molecular Weight)
semakin besar.Sedangkan energi LUMO
berkaitan dengan suatu molekul yang
berkaitan dengan kemampuan menerima
masuk kedalam reseptor, semakin besar
semakin untuk
rendah
menyebabkan
menerima
elektron
258
Jurnal Kesehatan Bakti Tunas Husada Volume 12 No 1 Agustus 2014
nilai MW
(Molecular Weight) maka
variabel bebas yang diperoleh dari 14
semakin mudah masuk kedalam reseptor
senyawa turunan benzimidazole yang
atau masuk kedalam rangkaian DNA dan
digunakan dengan nilai aktivitas biologis
menyerang basa-basa DNA nya, sehingga
(Log
bisa meningkatkan toksisitasnya. Pada
perhitungan nilai observasi, prediksi dan
deskriptor
residual ditunjukan pada Tabel 3.
MR
(Molar
Refractivity)
menyatakan bahwa semakin kecil nilainya semakin
toksik,
hal
semakin
kecil
nilai
Refractivity)
maka
ini
disebabkan
MIC)
dari
penelitian.
Hasil
Kolom Observed Value menunjukan nilai MIC eksperimen , kolom Predicted
MR
(Molar
Value
menunjukan
semakin
mudah
perhitungan
nilai
MIC
menggunakan
hasil
Regresi
senyawa tersebut masuk kedalam sel dan
Multilinear, sedangkan kolom Residual
penyerangan terhadap basa DNA yang
menunjukan selisih keduanya.
dikarenakan
semakin
berkurangnya
Untuk melihat sebaran nilai prediksi
halangan sterik, sedangkan semakin besar
dan
nilai molar refractivity maka semakin sulit
antibakteri
terjadinya
kontaminan
benzimidazole dapat dilihat pada Grafik 1.
dengan basa DNA dan masuknya senyawa
Berdasarkan Grafik 1 terlihat bahwa
kedalam sel atau inti sel. Pada deskriptor
data hasil eksperimen sangat dekat dengan
Dipole menyatakan bahwa semakin besar
data prediksi. Hal itu ditunjukan dengan
nilainya maka lebih mempermudah untuk
dekatnya bulatan-bulatan pada garis merah
masuk kedalam reseptor dan menyerang
yang
basa-basa
turunan benzimidazole memiliki suatu
ikatan
DNA
antara
nya,
sehingga
bisa
nilai
eksperimen
dari
senyawa
mengartikan
toksisitas
meningkatkan toksisitasnya.
korelasi dengan strukturnya.
Validasi Persamaan
Grafik 1.
Setelah didapat model persamaan
aktivitas turunan
senyawa
Hubungan Antara Hasil Prediksi dengan Eksperimen
HKSA, selanjutnya dilakukan validasi model
persamaan.
persamaan
biasa
Validasi
model
digunakan
untuk
mengevaluasi suatu model persamaan terbaik ditinjau dari seberapa baik model persamaan
tersebut.
Validasi
model
HKSA dilakukan dengan mencari nilai prediksi data eksternal yang terdapat pada
259
Jurnal Kesehatan Bakti Tunas Husada Volume 12 No 1 Agustus 2014 Tabel 3. No. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.
Data Observasi, Prediksi dan Observasi senyawa turunan benzimidazole Nama Senyawa
1H-benzo[d]imidazol-2-amine 1-phenethyl-1H-benzo[d]imidazol-2-amine [4-(Piperidin-1yl)benzylidene]malononitrile 1-(4-chlorophenethyl)-1Hbenzo[d]imidazol-2-amine 2-(2-amino-1H-benzo[d]imidazol-1-yl)-1phenylethanone 2-(2-amino-1H-benzo[d]imidazol-1-yl)-1p-tolylethanone 2-(2-amino-1H-benzo[d]imidazol-1-yl)-1(4-chlorophenyl)ethanone 2-methyl-1H-benzo[d]imidazole 2-methyl-1H-benzo[d]imidazole 2-methyl-1-phenethyl-1Hbenzo[d]imidazole 2-benzo[b][1]benzazepin-11-ylethanamine 1-(4-chlorophenethyl)-2-methyl-1Hbenzo[d]imidazole 2-(2-methyl-1H-benzo[d]imidazol-1-yl)-1phenylethanone 2-(2-methyl-1H-benzo[d]imidazol-1-yl)-1p-tolylethanone
Observed Value 1,698970 1,397940
Predicted Value 1,752884 1,489743
-0,053914 -0,091803
1,096910
1,108442
-0,011532
0,795880
0,629066
0,166814
1,698970
1,642655
0,056315
1,096910
1,134487
-0,037577
0,795880
1,020992
-0,225112
2,000000 1,698970
1,949385 1,824213
0,050615 -0,125243
1,397940
1,415974
-0,018034
1,096910
1,083517
0,013393
2,000000
1,777882
0,222118
1,397940
1,373743
0,024197
1,096910
1,067146
0,029764
Residual
Dari model persamaan tersebut
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan
dapat disimpulkan bahwa terdapat tiga
Dari hasil penelitian didapat beberapa
parameter yang mempunyai hubungan
model persamaan hubungan kuantitatif
bermakna
struktur dan analisis toksisitas senyawa
benzimidazole. Parameter tersebut antara
turunan
lain
benzimidazole
dan
dipilih
dengan
parameter
senyawa
hidrofobik
turunan
(Log
P),
persamaan Multiple Linier Regression
parameter elektronik (HOMO, LUMO,
(MLR)
dan Dipole), dan parameter sterik (MW
terbaik
yang
memberikan
pendekatan deskripsi dan prediksi yang
dan MR).
baik adalah sebagai berikut:
Saran
Log MIC= -2,751(±0,667)Log P
Dari hasil pengkajian persamaan
-0,096(±0,294)EHOMO
HKSA senyawa turunan benzimidazole
-1,327(±0,856)ELUMO
perlu dilakukan penelitian lebih lanjut
-0,056 (±0,010)MW
dengan mempergunakan metode berbeda
+0,334(±0,070)MR
yang lebih spesifik dengan melakukan
-0,824(±0,197)dipole
penambahan deskriptor agar didapat data
+4,784(±2,798)
dan informasi yang bisa ditambahkan
n=14; r=0,960; r2=0,921; SD=0,153 ;
untuk penelitian lanjut kedepannya.
F=13,604 260
Jurnal Kesehatan Bakti Tunas Husada Volume 12 No 1 Agustus 2014
Kubinyi H. 2002. QSAR Parameter.
DAFTAR PUSTAKA De Benedetti, P.G. 1992. J. Mol. Struct. (Theochem).256, 231. Eicher,
Theophil
http://www.kubinyi.de/dd-11.pdf [Diakses tanggal 15 Februari 2012]
and
Siegfried
Kuzmanovic S, Cvetkovic D, Barna D.
Hauptmann.2003. The Chemistry of
2009. QSAR Analysis of 2-Amino
Heterocycles,
or
Second
Edition.
2-Methyl-1-Substituted
Germany: WILEY-VCH GmbH &
Benzimidazoles
Co. KGaA, Weinheim. hal 198.
Pseudomonas
Hans, Corwin and Albert Leo.1995. Exploring QSAR fundamentals and applications Biology.
in
Chemistry
American
International Journal of Molecular Sciences ; 1670-1682. LU, Frank C. 1995. Toksikologi Dasar:
Chemical
Asas, Organ Sasaran, dan Penlaian
Hart, Harold et al. 2003. Kimia Organik Edisi 11. Jakarta: Erlangga. 2002.
aeruginosa.
and
Society: Washington, DC: hal 1-12.
Hypercube.
Against
Risiko, Edisi Kedua. Jakarta: UIPress. hal 326-327, 330-331. Nogrady,
Hyperchem
Thomas.
Medisinal:
1992.
Kimia
Pendekatan
Secara
Computational Chemistry. Florida :
Biokimia. Bandung: ITB. hal 58,
Hypercube. Inc.
551.
Ideaconsult. 2008. Toxtree User Manual. Sofia: Ideaconsult Ltd.
Computational Chemistry, Second Edition. England: John Wiley & Sons Ltd. hal 121-122. A.R.,
Karelson,
dan
Soekardjo.B.,2000.
Kimia Medisinal. Jilid I, Edisi
Jensen, Frank. 2007. Introduction to
Katrizky,
Siswandono,
Kedua,
Surabaya.
University Press. Tahir, I., 2005,
Analisis Hubungan
Kuantitatif Struktur Elektronik dan M.,
Aktivitas
Senyawa
danLobanov, V.S. 1996.Quantum-
Benzensulfonamida
Chemical
Pemisahan
Descriptors
Airlangga
in
Data
dengan Cara
Acak,
QSAR/QSPR Studies, J. Am. Chem.
Makalah Seminar Nasional Kimia
Soc.
XVI, 14 April 2005, Yogyakarta.
Kubinyi,
H.
1993.
QSAR:
Hansch
Young, David C.2001. Computational
Analysis and Related Approach.
Chemistry: A Practical Guide for
VCH
Applying Techniques to Real-World
Weinheim.
Verlaggessellschaft,
Problems. New York: John Wiley & Sons, Inc. hal 1, 36.
261
