KIMIA BAHAN ALAM DALAM PERSPEKTIF PERKEMBANGN ABAD-21 YANA MAOLANA SYAH, ITB
Seminar Nasional Kimia Dan Pembelajarannya (SNKP) 2014 Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Malang 06 September 2014 1.
Pendahuluan Ilmu Kimia secara sederhananya adalah ilmu berkaitan dengan struktur dan sifat (fisika
dan kimia) dari berbagai zat, baik zat anorganik ataupun organik. Unit terkecil zat atau senyawa organik adalah molekul organik, sehingga struktur senyawa organik diwakili oleh struktur molekulnya. Struktur molekul bukan saja berkaitan dengan komposisi dan perbandingan atomatom yang menyusun suatu molekul, melainkan juga susunan atau posisi atom-atom tersebut dalam ruang melalui ikatan kimia. Struktur molekul suatu zat atau senyawa (kimia) memegang peranan yang sangat penting dan dan sangat menentukan, karena sifat-sifat fisika dan kimia pada akhirnya harus dapat dijelaskan atas dasar struktur molekul-molekul yang membentuk zat tersebut. Setelah teori atom dan molekul Dalton, yang dicetuskan pada awal abad ke-18, diterima oleh para ahli, maka pencarian atau pembuatan unsur-unsur atau senyawa-senyawa murni merupakan kegiatan para ahli yang merupakan tindak lanjut dalam rangka membuktikan teori tersebut. Pada sisi lain, pengembangan teori struktur atom dan molekul juga merupakan implikasi dari penerimaan teori tersebut, terutama yang dilakukan oleh para ahli fisika, yang puncaknya adalah teori atom dan struktur molekul berdasarkan teori mekanika kuantum pada kurun waktu pertengahan abad-19. Karena struktur atom dan molekul merupakan objek teoritis, masalah terberat yang dihadapi oleh para ilmuwan kimia adalah mencari pendekatan-
pendekatan (metodologi) dalam menentukan struktur molekul. Sesulit apakah menentukan struktur molekul? Untuk memulai mencari jawaban kepada pertanyaan tersebut, marilah kita berpaling kepada objek senyawa-senyawa organik alam, sebagaimana dicontohkan pada Gambar 1. Pada gambar tersebut diberikan tiga contoh struktur molekul senyawa alam, yaitu aspirin (1),1 asam giberelat (GA3) (2),2 dan yesetoksin (3).3 Apabila melihat struktur aspirin, tampak struktur molekulnya relatif sederhana, yaitu hanya dibentuk oleh satu cincin benzena dan dua gugus fungsi (asam karboksilat, –CO2H, dan asetiloksi –OC(O)CH3). Struktur molekul asam giberelat (2) tampak jauh lebih rumit dengan adanya tiga kerangka karbon melingkar dan lebih dari dua gugus fungsi, sementara struktur yesetoksin (3) jauh lebih rumit lagi (sebelas kerangka karbon melingkar dan banyak gugus fungsi). Ketika melihat struktur molekul asam giberelat (2) dan yesetoksin (3), barangkali dapat dimaklumi mengapa banyak siswa yang “tidak menyukai” kimia, atau kalaupun sudah menjadi mahasiswa kimia atau sarjana kimia, banyak yang menjadi “takut” kepada struktur kimia hanya untuk menghindari dari kerumitan tersebut. O O
OH
OH
OC
O HO
H
O Struktur molekul aspirin (1) (obat penghilang nyeri)
CO2H
Struktur molekul asam giberelat (GA3) (2) (zat pengatur pertumbuhan tanaman) HO H O H
NaO3SO H O H
O H H O H
NaO3SO
H HO
H H O
H O H H O H
O H
O H H OH
O
Struktur molekul yesetoksin (3) (zat racun organisme laut, Perna canaliculus)
Gambar 1.
Contoh tiga struktur senyawa organik alam dengan berbagai tingkat kerumitan.
Contoh di atas baru “setetes dari air lautan” keragaman struktur molekul alam dengan berbagai tingkat kerumitan strukturnya. Dari objek tumbuh-tumbuhan saja jumlah senyawa alam yang diproduksinya dapat mencapai bilangan yang tidak terbayangkan. Karena besarnya cakupan yang dihadapi, maka kajian senyawa-senyawa alam mengkristal dalam satu disiplin, yang disebut kimia organik bahan alam, untuk membedakan dari kajian sejenis dalam ruang lingkup disiplin biokimia. Istilah kimia bahan seringkali disinonimkan dengan “fitokimia”, yaitu kajian kimia organik tumbuh-tumbuhan, walaupun dalam kenyataannya juga meliputi kajian kimiawi dari organisme-organisme lain, seperti mikroorganisme dan hewan. Selanjutnya, senyawa-senyawa alam seringkali disinonimkan dengan istilah “metabolit sekunder” untuk membedakan dari kajian biokimia yang berurusan dengan proses kimiawi metabolisme primer. Kajian fitokimia berawal dari isolasi senyawa alam, yaitu memisahkan-misahkan campuran senyawa alam menjadi sekelompok satu jenis senyawa, yang dilanjutkan dengan penentuan struktur molekul senyawa hasil isolasi tersebut. Kegiatan ini, dari awal kelahirannya sampai dewasa sekarang ini, selalu mendapat penghargaan dari masyarakat ilmiah atau masyarakat pada umumnya. Dari sisi keilmuan, kajian fitokimia telah berperan dalam mendewasakan keilmuan lainnya, antara lain ilmu kimia sintesis organik, farmakognosi, farmakologi, biokimia, dan spektroskopi, yang merupakan bagian dari wilayah ilmu fisika. Masyarakat luas menghargai kajian fitokimia karena berbagai terapan yang ditimbulkannya, terutama pada bidang kesehatan dan pertanian. Contoh yang paling umum adalah penemuan dan penentuan struktur molekul aspirin (1) yang memiliki khasiat penghilang rasa nyeri dan merupakan salah satu obat yang banyak dikonsumsi di dunia, penemuan obat antibiotik penisilin yang mampu menyelamatkan banyak manusia dari serangan bakteri, dan penemuan asam giberelat (GA3) (2) yang telah mengubah “wajah” cara-cara pertanian dalam peningkatan produksi pangan dunia. Pada makalah ini, penulis akan memfokuskan pada sajian bagaimana perjalanan penentuan struktur senyawa alam telah berlangsung, sehingga dapat terlihat bagaimana dampaknya pada perkembangan kajian fitokimia itu sendiri, terutama pada kurun waktu setengah abad terakhir ini. Termasuk pada sajian ini
pengalaman penulis dalam
mengembangkan ilmu fitokimia tumbuhan Indonesia, sebagai salah satu wilayah dengan keragaman tumbuh-tumbuhan terbesar dunia. Sajian ini juga berusaha memaparkan prospek ke depan kajian fitokimia di era abad ke-21, dimana teknologi informasi telah berjalan begitu
sangat cepat, sehingga pengaruh kepada proses penentuan struktur dan ilmu fitokimia juga terasa sangat signifikan. Dalam keterbatasan waktu yang diberikan, penulis berusaha memberikan sajian ini “selengkap mungkin”, tetapi tentu saja banyak hal yang tidak mungkin dapat dipaparkan pada kesempatan ini.
2.
Penentuan struktur molekul senyawa alam pada era pertama (cara kimia) Kajian berkaitan struktur molekul senyawa-senyawa alam tidak dapat dipisahkan dari
perkembangan kimia organik secara keseluruhan dan juga dampak dari penemuan-penemuan tersebut kepada bidang-bidang ilmu yang lain. Sebagaimana telah disinggung sebelumnya, pada awal perkembangannya, yaitu di awal abad-19, tugas yang terpenting pada kajian fitokimia adalah penentuan struktur molekul senyawa-senyawa alam. Pada era awal tersebut, hingga pertengahan abad-19, struktur molekul ditetapkan hanya berdasarkan sifat-sifat kimia (cara kimia), yang meliputi pemecahan molekul (degradasi) dan pembuatan turunan-turunan kimiawi. Semua perubahan-perubahan kimiawi yang terjadi selanjutnya dipadukan dengan perubahan-perubahan rumus molekul yang ditentukan dengan cara analisis unsur. Berdasarkan produk-produk reaksi kimia tersebut, bersama-sama dengan logika struktur, maka struktur molekul dapat disarankan. Penentuan struktur molekul dengan cara kimia ini tentu saja memerlukan tahapan pekerjaan laboratorium yang relatif sangat panjang, sehingga memakan waktu yang relatif lama, perlu bahan yang tidak sedikit dalam jumlah gram atau puluhan gram, serta memerlukan pereaksi-pereaksi kimia yang tidak sedikit jumlahnya. Sebagai contoh, zingiberen (4), yaitu suatu zat berupa minyak dari rimpang jahe (Zingiber officinale Roscoe) yang berhasiat sebagai antiulser, berhasil
CO2H O
Zingiberen (4) (C15H24)
Na
reduksi
Dihidrozingiberen (C15H26)
O3
O
+
ozonolisis
aseton
CO2H
asam laevulinat + asam
RCO3H Isozingiberen (C15H24) epoksidasi
Isozingiberendiepoksida (C15H24O2)
CH3MgI
metilasi
C17H32O2 - dehidrasi - dehidrogenasi
C17H22 t.l. 96 - 97 oC
struktur molekul zingiberen (4) Gambar 2. Reaksi-reaksi kimia yang digunakan pada penentuan struktur zingiberen (4). diisolasi dalam keadaan murni pada tahun 1880 (1 paper), dan dimulai penelaahan struktur molekulnya pada tahun 1900 dan 1901 (2 paper), tetapi struktur molekulnya baru dapat disarankan pada tahun 1929 oleh Ruzicka dan van Veen. 4 Struktur zingiberen (4) pada akhirnya mendapat konfirmasi melalui sintesis penuh senyawa ini oleh Mukherji dan Bhattacharyya pada tahun 1952.5 Menurut ukuran senyawa alam, struktur molekul zingiberen (1) masih relatif sederhana, namun dengan menggunakan metoda kimia menunggu hampir setengah abad sehingga struktur molekulnya dapat disarankan. Ini menggambarkan betapa sulitnya menentukan struktur molekul senyawa alam. Walaupun demikian, salah satu penemuan penting pada era ini adalah reaksi reduksi menggunakan selenium, yang disebut sebagai dehidrogenasi selenium, yang dapat mempreteli semua gugus samping pada molekul terpen sehingga menyisakan kerangka molekul sebagai turunan aromatik, yang mudah diidentifikasi dari titik lelehnya. Kegiatan penentuan struktur molekul senyawa alam pada era ini bukan saja ia telah turut berperan dalam mengembangkan reaksi-reaksi kimia organik, tetapi juga melahirkan teori asal-usul (biogenesis) senyawa-senyawa alam. Misalnya saja, teori isopren dimunculkan oleh Ruzicka pada tahun 1953 untuk menjelaskan asal-usul pembentukan kerangka dasar senyawa-
senyawa terpenoid.6 Teori biogenesis senyawa alam ini pada gilirannya digunakan sebagai working hipotesis dalam menentukan struktur molekul senyawa alam lain yang sejenis. Dengan adanya pegangan tersebut, penentuan struktur molekul senyawa alam menjadi lebih terarah sehingga, untuk kasus-kasus tertentu, dapat berlangsung relatif lebih cepat. Tambahan lagi, pada era pertengahan abad ke-20, telah lahir dua instrumentasi kimia yang dapat memberikan informasi struktural pada bagian tertentu suatu struktur molekul. Kedua instrumen tersebut adalah spektrometer ultra violet (UV) untuk sistem ikatan rangkap terkonjugasi (aromatik) dan dan spektrometer infra merah (IR) untuk mendapatkan data gugus fungsi. Walaupun demikian, karena struktur molekul senyawa-senyawa alam pada prinsipnya adalah rumit, terutama untuk molekul dengan banyak gugus fungsi yang terikat kepadanya, penentuan struktur molekul senyawa alam tetap saja merupakan suatu tantangan berat. Sebagai contoh, struktur molekul senyawa alam yang kemudian dikenal sebagai hormon pertumbuhan tanaman, yaitu asam giberelat (GA3) (2), dapat diselesaikan dalam kurun waktu 20 tahun dengan melibatkan 43 peneliti, memerlukan jumlah bahan puluhan gram, melibatkan sekitar 100 reaksi kimia (!), dua spektrometer (UV dan IR), dan dituangkan ke dalam 33 paper. 2 Kulminasi dari era ini adalah terbentuknya metodologi penentuan struktur molekul senyawa alam, sebagai berikut: 1) menentukan kerangka dasar molekul, 2) mengidentifikasi gugus-gugus fungsi yang ada atau terikat pada kerangka, 3) menentukan posisi dari masingmasing gugus fungsi, dan 4) menentukan hubungan ruang antar gugus fungsi (stereokimia). Tampak pada metodologi ini, semakin rumit kerangka dan semakin banyak gugus fungsi, seperti pada struktur asam giberelat (2), tahapan penentuan strukturnya semakin panjang dan konsekuensinya perlu waktu kajian yang lebih lama. Selain itu, metodologi ini memiliki kelemahan, yaitu sangat tergantung kepada teori-teori biogenesis. Untuk golongan senyawa dimana teori biogenesisnya belum terungkap, para ahli fitokimia tidak memiliki pegangan untuk memilih reaksi kimia yang tepat, dan akibatnya beberapa golongan senyawa tertentu belum dapat diungkapkan struktur molekulnya. Contoh untuk kasus ini adalah pada senyawa aromatik hopeafenol (5), yang berhasil diisolasi dalam keadaan murni dari tumbuhan kayu tropika Hopea odorata pada tahun 1951. Usaha untuk menentukan struktur molekulnya dengan cara-cara kimia yang ada pada waktu itu tidak membuahkan hasil. Struktur molekul senyawa ini baru berhasil ditetapkan pada tahun 1970 melalui kajian kristalografi sinar-x kristal tunggal.7 Hopeafenol (5) ternyata merupakan contoh pertama dari golongan senyawa yang terbentuk dari oligomerisasi senyawa aromatik stilben yang dikenal dengan nama resveratrol. Kajian struktural
terhadap golongan senyawa ini pun baru dapat terlaksana dengan baik setelah alat spektometer lain, yaitu Nuclear Magnetic Resonance (NMR), telah sampai pada kematangannya, yaitu sekitar tahun 1980-an.
Hopeafenol (5) (C56H42O12)
cara-cara kimia
Tidak menghasilkan data struktural yang berarti Br
kristalografi sinar-x
H
Br OH
O
HO
O
H
HO
OH H
H
HO
H
H
H OH OH
HO
OH H HO
OH
HO
HO
OH
HO
oligomer resveratrol (oligostilben)
3.
OH
HO
OH OH
HO
OH HO Gambar 3. Struktur molekul hopeafenol (5) tidak dapat ditentukan dengan caracara kimia. Penentuan struktur molekul senyawa alam pada era spektroskopi NMR
Spektrometer NMR (Nuclear Magnetic Resonance) adalah alat sejenis spektrometer UV dan IR, tetapi beroperasi pada gelombang radio, yaitu daerah radiasi elektromagnetik yang juga dimanfaatkan pada komunikasi (TV, radio, HP, dsb). Namun demikian terdapat kekhususan dari alat NMR, yaitu untuk mendapatkan resonansi yang dapat diukur, sampel harus berada dalam pengaruh medan magnet yang kuat. Pada saat bahan atau sampel dalam pengaruh medan magnet kuat, maka inti-inti atom yang menyusun molekul bahan tersebut berperan sebagai pemancar “siaran atom-atom”. Apabila molekul-molekul bahan mengandung C dan H, pemancar siaran yang dibentuk adalah 1H dan 13C pada masing-masing rentang frekuensinya. Bagian alat NMR lainnya selanjutnya bertindak sebagai penerima (receiver) resonansi inti-inti atom tersebut dan direkam oleh komputer sebagai spektrum NMR berupa sinyal-sinyal 1H dan C. Karena prinsip pembentukan sinyal-sinyal inti atom seperti ini, dan bekerja di daerah
13
gelombang radio, maka NMR dapat disebut sebagai “bentuk komunikasi atom-atom pada molekul yang berada di bawah pengaruh medan magnet” (Gambar 4).8
Fenomena resonansi inti atom pertama kali ditemukan oleh ahli fisika Felix Bloch (Stanford University) dan Edward Purcell (Havard University) pada tahun 1945, dan penerapan pada bidang kimia baru resonansi
inti atom dalam medan magnet Bo spektrometer NMR
Gambar 4. Peralatan spektrometer NMR, prinsip kerjanya mirip dengan proses komunikasi dua hand phone.
terwujud pada tahun 1950-an melalui alat NMR yang relatif sederhana. Perkembangan pesatnya baru dimulai setelah manusia bisa membuat medan magnet kuat dan stabil menggunakan kabel superkonduktor, serta kejeniusan para ahli fisika dalam merancang penangkapan sinyal inti atom (1H atau
C, atau yang lainnya) dengan cara induksi listrik yang berisikan totalitas
13
frekuensi (disebut FID), dan memisah-misahkan masing-masing frekuensi melalui transformasi Fourier. Dengan metoda pengukuran seperti ini, bukan saja dimungkinkan untuk dapat mengukur sinyal inti-inti atom yang berkelimpahan rendah (seperti
C), tetapi juga
13
dimungkinkan adanya manipulasi atau interaksi antar spin inti sehingga dapat diekstraksi informasi-informasi tertentu yang berkaitan dengan hubungan antar gugus (memalui ikatan
kimia atau melalui ruang), baik dengan metoda pengukuran 1D (satu jenis informasi dari satu pengukuran) atau 2D (total informasi dari hanya satu pengukuran). Metoda NMR 2D ini baru ditemukan pada tahun 1971 oleh Jean Jeneer dan kemudian disempurnakan oleh Richard Ernst (Tabel 1).
Tabel 1. Sejarah singkat perkembangan spektrometer NMR8 1945:
Pertamakali sinyal NMR dapat dideteksi oleh Felix Bloch dan Edward Purcell, keduanya menerima hadiah Nobel Fisika pada tahun 1952.
1949:
Penemuan teknik gema pada NMR oleh Erwin Hahn.
1951:
Penemuan besaran geseran kimia () oleh J. T. Arnold dan F. C. Yu.
1951:
Penemuan fenomena kopling spin inti oleh W. G. Proctor.
1966:
Pengembangan NMR menggunakan teknik transformasi Fourier oleh Richard Ernst, yang mendapat hadiah Nobel Kimia pada tahun 1991.
1971:
Pengembangan NMR dua-dimensi oleh J. Jeener dan Richard Ernst.
1975:
Teknik NMR multi-quantum oleh T. Hashi, A. Pines, dan R. Enrst.
1979:
Pengembangan NMR 2D untuk penerapan pada analisis protein oleh Kurt Wutrich (Nobel Kimia pada tahun 2002). Mengapa alat ini menjadi sangat penting bagi kajian struktural molekul-molekul? Atom-
atom 1H dan
C pada suatu molekul adalah berupa gugus-gugus, baik gugus-gugus yang
13
dibentuk oleh C-H saja, ataupun gugus-gugus H atau C dengan atom-atom lain seperti O, N, halogen, dan lainnya. Keberadaan dari gugus-gugus tersebut dengan mudah teridentifikasi dan dapat ditentukan jumlahnya. Data atau informasi yang terakhir ini tidak dapat diberikan oleh dua alat spektrometer sebelumnya, yaitu spektrometer UV dan IR, yang sifatnya hanya kualitatif saja. Selanjutnya, spin inti-inti atom antar gugus ternyata dapat berinteraksi secara magnetik, baik melalui ikatan kimia atau kedekatan ruang, yang dapat direkam dengan akurat oleh alat ini sehingga memungkinkan untuk melihat tetangga-tetangga dari suatu gugus tertentu. Parameter-parameter spektrometer NMR tersebut, sebagaimana tertuang pada Tabel 2, merupakan informasi yang memang diperlukan supaya struktur molekul dapat ditetapkan, sehingga setelah penemuan alat ini, spektrometer NMR merupakan instrumen kimia yang “pantas” untuk kajian struktural kimia bahan. Sebagai contoh, senyawa alam yang diperoleh (diisolasi) dari daun Macaranga trichocarpa (Muel.) Arg. asal Kalimantan, yaitu 4-metoksifloretin (6), dapat ditentukan struktur molekulnya dari jumlah bahan hanya sekitar 5 mg, pengukuran spektrum selama 2 jam 10 menit (10 menit
untuk spektrum 1H dan 2 jam untuk spektrum NOESY) (Gambar 5, hanya menampilkan spektrum 1H NMR saja), dan interprestasi tidak lebih dari 30 menit. Tabel 2. Percobaan NMR yang rutin digunakan pada penentuan struktur Spektrum
Informasi struktur yang diperoleh
Waktu ukur
H
Jumlah total atom hidrogen, jumlah gugus hidrogen, gugus fungsi yang ada dalam molekul, hubungan antar gugus atau unit struktur.
10 menit
13
C
Jumlah total atom karbon, jenis dan jumlah gugus fungsi yang terdapat dalam molekul.
1 – 12 jam
DEPT APT
Jenis gugus karbon sesuai dengan jumlah hidrogen yang terikat (C, CH, CH2, dan CH3)
15 menit – 3 jam
COSY
Identifikasi unit-unit struktur melalui hubungan kopling 1H-1H
15 menit
HMQC
Identifikasi sinyal-sinyal karbon yang mengikat hidrogen
1 – 2 jam
HMBC
Identifikasi sinyal-sinyal karbon kuarterner (tidak mengikat hidrogen) berdasarkan hubungan ikatan jarak jauh (dua atau tiga ikatan); digunakan untuk menggabungkan unit-unit struktur.
2 – 4 jam
NOESY ROESY
Hubungan ruang antar gugus hidrogen atau stereokimia
4 jam
1
pelarut
-OCH3 OCH3 HO
OH HO
OH
OH
O
4-metoksifloretin (6)
OH
O
R
H2O
-OH -CH22 -OH Gambar 5. Spektrum 1H NMR 4-metoksifloretin (5).
4.
-CH2-
Kajian kimia bahan alam di Institut Teknologi Bandung Penulis aktif dalam mengembangkan metodologi isolasi dan penentuan struktur
senyawa alam hampir dalam kurun waktu tiga dekade. Pada proses isolasi, metodologi
sederhana
telah
dikembangkan
dengan
menggunakan
cara-cara
konvensional,
yaitu
kromatografi cair vakum dan kromatografi putar, keduanya menggunakan adsorben silika gel yang relatif murah. Pengembangan metoda ini telah melahirkan cara-cara isolasi dengan tahapan relatif ringkas, sehingga berjalan dalam kurun waktu yang relatif singkat (sekitar 3 bulan untuk satu ekstrak tumbuhan) dengan hasil isolasi relatif tinggi. Pada penentuan struktur, metodologi yang digunakan tetap mengadopsi metodologi cara kimia, tetapi dengan menggunakan data NMR, yang dibantu dengan data spektrum UV, IR dan massa, sebagai alat identifikasi kerangka, gugus fungsi dan penempatan gugus pada kerangka. Pengembangan yang dilakukan adalah penggunaan data NMR 1D dalam menyarankan struktur molekul, sementara data spektrum NMR 2D untuk tujuan konfirmasi struktur. Selama kurun waktu 10 tahun terakhir, laboratorium KOBA telah mengkhususkan pada kajian fitokimia tumbuhan tropika Indonesia dari famili Moraceae (genus Artocarpus dan Morus), Dipterocarapaceae (genus Anisoptera, Dipterocarpus, Dryobalanops, Hopea, Shorea, dan Vatica), Lauraceae (genus Cryptocarya, Lindera, dan Litsea), Euphorbiaceae (genus Croton, Macaranga dan Phyllanthus) dan beberapa tumbuhan dari famili Zingiberaceae (tumbuhan dari genus Alpinia, Curcuma, dan Kaempferia). Dari kajian-kajian tersebut, sekitar 200 senyawasenyawa alam berhasil diisolasi dan ditetapkan strukturnya, 75 diantaranya merupakan senyawa baru.9 Beberapa contoh struktur molekul dari hasil kajian fitokimia tersebut dinyatakan pada Gambar 6. Berikut ini akan dibahas kajian struktural senyawa-senyawa yang berasal dari tumbuhan Artocarpus. Artocarpus adalah kelompok tumbuhan “nangka-nangkaan” yang pusat penyebarannya adalah India, Indonesia-Malaysia, dan negara-negara wilayah pasifik. Kajian struktur senyawasenyawa aromatik dari tumbuhan Artocarpus untuk pertamakali dimulai oleh peneliti Inggris, yaitu A. G. Perkin dari Yorkshire College, pada tahun 1895-1896 dan 1905 menggunakan bahan yang berasal dari India, tetapi tidak berhasil
OH
H3C
HO
H3C
OH
H3C O
O
H3C
OH
OH
HO
CH3 OH
O
CH3
H3C
CH3
O
OH
O
CH2 OH
O
OH
OH
OH
H3C
artonin E (7) Artocarpus lanceifolius (Sumatera Barat)
OH
OH
CH3
HO
OH
andalasin A (9) Morus macroura (Sumatera Barat)
artoindonesianin V (8) Artocarpus champeden (Jawa Barat) O H
OH
O
O
H
HO
O
OH
H
H3C
O
O
H
O
HO
H
H HO
massoialakton (11) Cryptocarya massoy (Papua)
OH
H
OH
kriptokarion (10) Cryptocarya konishii (Jawa Barat)
O HO
H
OH OH HO
HO
O OH
OH OH
diptoindonesin E (12) Dipterocarpus hasseltii (Kalimantan) OH
O O
O
HO
OH
OH
OH
makagigantin (13) Macaranga gigantea (Kalimantan)
artoindonesianin Y (14) Artocarpus fretesii (Sulawesi Selatan) makapruinosin A (15) Macaranga pruinosa (Kalimantan)
Gambar 6. Beberapa contoh struktur molekul senyawa alam dari tumbuhan tropika Indonesia, yang menggambarkan berbagai tingkat kerumitan struktur molekulnya. menghasilkan suatu informasi struktural yang berarti.10 Penelitian dalam bidang ini kemudian dilanjutkan oleh K. G. Dave dan K. Venkataraman dari Bombay University, India, dan berhasil menentukan struktur dasarnya, yaitu suatu flavonoid (2’,4’,5-trihidroksi-7-metoksiflavone), tetapi tidak mampu menetapkan posisi dua gugus isoprenil pada kerangka dasar tersebut. 11 Pada paper yang diterbitkan pada tahun 1961, barulah kedua peneliti tersebut berhasil menentukan struktur artokarpin (1) sebagai suatu senyawa golongan flavonoid yang unik karena memiliki gugus isoprenil di karbon nomor 3 (C-3) dan tambahan gugus yang sama di cincin aromatik A.12 Dengan berbekal model struktur molekul artokarpin (1) tersebut, secara
perlahan-lahan senyawa-senyawa baru sejenis berhasil diungkapkan struktur molekulnya oleh para peneliti India hingga tahun 1980-an, ini berkat spektrometer NMR mulai memegang peranannya. Pada penghujung tahun 1980-an kajian kimiawi tumbuhan Artocarpus Indonesia mulai dilakukan oleh peneliti Jepang, yaitu kelompok Y. Fujimoto dari Institute of Physical and Chemical Research, Jepang, terhadap sampel daun Sukun. Kelompok ini berhasil mendapatkan senyawa dihidrocalkon yang tergeranilasi, yang memiliki efek antiinflamasi yang sangat kuat, dan mematenkan kegunaan ini, sebagai antitumor, serta cara sintesisnya. Kajian struktur senyawa-senyawa dari tumbuhan “nangka” asal Indonesia, kemudian dilanjutkan oleh kelompok T. Nomura, dan berhasil mengungkapkan lebih banyak lagi keragaman struktur molekul, dan hasilnya dirangkum dalam tiga paper review pada kurun waktu 1988 – 1998.14 Karena keunikan struktur dasarnya, yaitu struktur flavon yang termodifikasi, dan karena kemungkinan sifat biologisnya yang unik pula, peneliti dari laboratorium Kimia Bahan Alam ITB masuk kepada kajian kelompok tumbuhan ini sejak sekitar pertengahan tahun 1990-an sampai tahun 2009, terhadap tiga belas spesies tumbuhan Artocarpus Indonesia.9 Selain dari peneliti ITB, beberapa peneliti dari China dan Eropa juga ikut terlibat dalam mengembangkan fitokimia tumbuhan Artocarpus. Dari kajian-kajian yang telah dilakukan tersebut, ternyata kelompok tumbuhan ini mampu menghasilkan sepuluh jenis kerangka dasar flavon yang tidak lazim, yaitu 3-prenilflavon, oksepinoflavon, piranoflavon, dihidrobenzosanton, furanodihidrobenzosanton,
piranodihidrobenzosanton,
kuinosanton,
siklopeneteno-santon,
siklopentenokromon, dihidrosanton, dan santonolida (Gambar 7). Identifikasi kerangkakerangka dasar tersebut dengan cara-cara kimia, itu pun apabila dapat ditemukan metodologi percobaannya, tentulah akan sangat melelahkan. Dari rangkaian historis di atas, tampak bahwa adanya perubahan metoda penentuan struktur kimia dari cara-cara kimia ke penggunaan data spektrum NMR sangat menentukan arah kajian fitokimia senyawa alam. Perkembangan fitokimia tumbuhan Artocarpus menjadi sangat cepat setelah para ahli kimia dapat memanfaatkan perkembangan teknologi pengukuran spektrum NMR juga berkembang pesat, terutama ketika hubungan antar gugus dapat dideteksi dari perubahan sinyal-sinyal 1H (yang berkelimpahan tinggi secara alamiahnya) oleh resonansi sinyal 13C yang dapat dituangkan kedalam percobaan NMR dua-dimensi (misalnya percobaan HMQC dan HMBC). Dengan menggunakan spektrum 1H NMR, kerangka dasar tersebut dapat dengan mudah diidentifikasi. Sebagai contoh, kerangka dasar
HO
O O HO
O
HO
CO2CH3 O
O
O
OH
O
O
OH
Xanthonolide
O
Cyclopenetenochromone
O
O HO
O
OH
HO
O
HO HO
O
OH
Dihydroxanthone
O
Cyclopentenoxanthone
OH
O
CO2CH3 OH
O
O HO
O
OH
O
HO HO
OH
O
O OH
OH
O
OH
Furanodihydrobenzoxanthone
O
OH
Quininoxanthone
O
Pyranoihydrobenzoxanthone
OH HO HO
O
HO
O
OH
O
OH
OH
OH HO
O O
O
OH
O
OH
O
OOH
Dihydrobenzoxanthone
Oxepinoflavone
Pyranoflavone
HO HO
OH
O
OH
O
3-Prenylflavone
Gambar 7. Keragaman kerangka dasar turunan flavonoid pada tumbuhan nangka-nangkaan (Artocarpus).
artoindonesianin T
Gambar 8. Posisi dan pola puncak-puncak sinyal pada nilai geseran kimia 2,2 – 4,0 ppm menunjukkan ciri dari kerangka dihidrobenzosanton pada artoindonesianin T.
Gambar 9. Korelasi ikatan 1H-13C jarak jauh memastikan posisi gugus metoksil pada karbon nomor 2’ dan 4’. dihidrobenzosanton pada artoindonesianin T yang diisolasi dari A. champeden, dengan mudah dikenali dari sinyal-sinyal alifatik di daerah 2,2 – 4,0 ppm, yang khas pola puncak-puncaknya (Gambar 8). Sementara itu, posisi gugus metoksil (-OCH3) pada turunan flavon yang juga diisolasi dari A. chempeden, yaitu artoindonesianin R, dapat dengan mudah ditentukan dengan menggunakan spektrum HMBC (Gambar 9).
Tantangan serupa juga dialami pada kajian struktur molekul dari tumbuh-tumbuhan Dipterocarpaceae dan genus Macaranga dari famili Euphorbiaceae. Namun demikian, mengingat terbatasnya ruang untuk mendiskusikan permasalahan penentuan struktur dari kedua kelompok tumbuhan tersebut, secara sepintas dapat dikemukakan bahwa metoda spektroskopi NMR telah memberikan jalan bagi pengungkapan keragaman struktur molekul yang dihasilkan dari tumbuh-tumbuhan tersebut. Selain kajian struktur, telah juga dilakukan uji biologis terhadap senyawa-senyawa hasil isolasi, sebagai antitumor (menggunakan sel uji murin leukemia P-388), antimalaria (mengunakan sel Plasmodium), dan antimikroba. Dari berbagai pengujian tersebut, maka dapat dihasilkan kandidat senyawa yang sangat potensial sebagai antitumor dan antimalaria, antara lain yaitu artonin E (7) dan kriptokarion (10). Metoda sintesis artonin E telah dilakukan oleh Dr. Didin Mujahidin, dengan bantuan pendanaan dari SPIN KNAW, Belanda. Apabila metoda sintesis artonin E telah berhasil ditetapkan, maka metoda ini akan digunakan dalam membuat berbagai turunan senyawa ini sehingga dapat disarankan hubungan struktur dan aktivitas antitumornya, serta diperoleh turunan yang berkeaktifan antitumor dan antimalaria lebih baik dari artonin E (7) itu sendiri.
6.
Arah ke depan kajian senyawa alam
Bidang Kesehatan Keragaman struktur molekul yang tinggi yang diperlihatkan oleh senyawa-senyawa alam telah menjadikan tumbuh-tumbuhan atau mikroorganisme sebagai sumber pencarian obat-obat baru. Kenyataannya penjualan obat-obatan dengan nilai trilyunan rupian, salah satunya adalah obat-obat yang berasal dari alam atau turunan analog semisintesik dari senyawa alam tertentu.15 Berikut ini beberapa contoh obat-obat penting yang langsung diisolasi dari alam. Eritromisin A (Erythromycin A) (16) merupakan obat antibiotik yang telah beredar sejak tahun 1950-an. Senyawa ini adalah jenis makrolida dan ditemukan dari bakteri tanah Saccharopolyspora erythrea. Obat antibiotik ini sangat sesuai untuk infeksi jenis bagian atas (misalnya infeksi tenggorokan) dan jangkauannya sedikit lebih besar dari penisilin. Obat ini juga sesuai untuk penderita infeksi yang alergi terhadap penisilin. Mekanisme kerja obat ini
adalah kemampuannya menghambat sintesis protein pada bakteri melalui pengikatan ke ribosoma 50S. Taksol (Taxol) (17) merupakan senyawa turunan diterpenoid yang diisolasi dari tumbuhan Pasifik Taxus brevifolia. Senyawa ini mampu menghambat pertumbuhan sel kanker dengan cara yang unik, yaitu stabilisasi mikrotubula, sehingga menjadi kanidat obat antikanker yang menjanjikan. Taksol dijual di pasaran dengan nama Paclitaxel, yang sesuai untuk penyembuhan beberapa jenis kanker, seperti kanker tenggorokan, kanker rahim, kanker payudara, dan kanker di leher. Penyediaan obat ini sekarang dilakukan melalui pengembangan sel kultur tumbuhan Taxus tertentu yang dapat memproduksi taksol. Taksol yang diproduksi dengan cara ini diekstraksi dan dimurnikan dengan kromatografi serta kristalisasi. Obat-obat yang lain yang langsung diturunkan dari senyawa alam adalah kuinin (18) dan artemisin (19) untuk pengobatan penyakit malaria, turunan asam betulinat (20) sebagai antiHIV, dan kalanolida A (21) sebagai anti-HIV dan antibiotik untuk penyakit TBC.16 Informasi lengkap berkaitan dengan senyawa-senyawa alam yang berpotensi sebagai obat dalam bidang kesehatan untuk berbagai macam penyakit dapat dilihat pada Review oleh Newman dan Cragg.17 Karena strukturnya yang unik dan seringkali sulit untuk dibuat dengan cara sintesisi, senyawa alam sebagai sumber obat untuk kesehatan akan tetap menjadi pilihan pada abad-20 ini.
O O OH
OH
AcO O
OH
OH
O
O
O
HO
O
O
N(CH3)2
NH
O
N
OAc O
O
OCH3
OH
O OH
OH O
H N
O
Kuinin (18)
Taksol (17) H3CO OH
Eritromisin A (16) O H O
COOH O
H
O
HOOC
O O
O O
Turunan asam betulinat (20)
O
O
OH
Kalanolida A (21)
Artemisinin (19)
Bidang Pertanian Penerapan bidang ini pada pertanian memiliki arah yang berbeda dengan yang terjadi pada bidang kesehatan. Penerapan langsung senyawa-senyawa alam pada bidang pertanian barangkali akan lebih sulit karena kebutuhan bahan aktif pertanian memerlukan jumlah yang sangat besar, yang tidak mungkin dapat disediakan dari alam secara langsung. Namun demikian, peran kimia bahan alam pada bidang pertanian tidak dapat dianggap kecil, salah satunya adalah penemuan kelompok senyawa giberelin sebagaimana telah disinggung pada bagian sebelumnya. Giberelin (atau disingkat menjadi “GA”) merupakan kelompok senyawa alam khusus dari golongan diterpenoid, yang sekarang kurang lebih terdiri dari sekitar 130 jenis, salah satunya aalah asam giberelat (2).18 Senyawa ini tersebar luas pada “Kerajaan” tumbuhtumbuhan, yang berperan sebagai hormon tumbuh-tumbuhan. Fenomena penemuan giberelin merupakan contoh yang baik dari penerapan metoda ilmiah dalam suatu penemuan tertentu. Penemuan giberelin bermula dari suatu fenomena pada pertanian padi di Jepang yang dilaporkan pertamakali pada tahun 1828, yaitu adanya sekumpulan tanaman padi yang berpenyakit “aneh” tumbuh terus-menerus tanpa menghasilkan biji padi (gabah atau beras). Baru pada tahun 1898 terungkap bahwa penuyakit ini berkaitan dengan adanya infeksi jamur
Gibberella fujikoroi, yang dikonfirmasi oleh Sawada (1912) dan Kurosawa (1926) bahwa ekstrak jamur ini memberikan efek penyakit yang dimaksud. Dengan demikian dapat dipastikan bahwa komponen dari ekstrak jamur tersebut adalah penyebab penyakit, dan pada tahun 1938 Yabuta dan Sumiki melaporkan bahan kimia berupa kristal yang apabila diberikan ke tanaman padi menghasilkan efek pertumbuhan yang terus-menerus yang tidak terkendali. Struktur molekul salah satu dari giberelin, yaitu asam giberelat (2), dapat disarankan pada tahun 1956 oleh penelitit Jepang dan Inggris melalui penekatan penentuan struktur cara kimia, namun baru tahun 1958 struktur lengkap asam giberelat tersebut dapat diungkapkan, dan dikonfirmasi dengan metoda kritalografi sinar-X pada tahun 1962.18 Efek biologis giberelin ternyata meliputi hampir semua aspek pertumbuhan dan perkembangan tumbuh-tumbuhan, tetapi yang paling menonjol adalah penguatan pada pertumbuhan batang dan ranting. Keberadaan giberelin ternyata merupakan pembeda antara tanaman kerdil dan tinggi kacang polong pada percobaan Mendel. Giberelin juga terlibat pada tahapan proses pembungaan tumbuh-tumbuhan, yaitu suatu tahapan yang penting dari pertumbuhan vegetatif ke generatif. Selain itu, giberelin juga berpengaruh pada aspek germinasi dan pematangan buah. Buah anggur yang tidak berbiji merupakan salah satu penerapan dari hormon giberelin ini. Giberelin juga dapat menghambat kematangan buah sehingga tidak mudah terinfeksi oleh mikroba pembusuk. Giberelin komersial sekarang ini diproduksi dari hasil fermentasi G. Fujikuroi, yang dapat menghasilkan sediaan giberelin dalam jumlah ton.18 Contoh lain yang akan disajikan pada makalah ini adalah penemuan obat antijamur untuk pertanian. Kajian fitokimia terhadap jamur Strobilurus tenacellus dan Oudemansiella mucida berhasil mendapatkan dua senyawa yang mirip, berturut-turut, yaitu strobilurin A (21) dan oudesmansin A (22). Secara kimia dapat diperkirakan bahwa senyawa 22 berasal dari senyawa 21, melalui reaksi hidrasi dan metilasi. Kedua senaywa tersebut memberikan efek antijamur yang kuat terhadap beragam jamur patogen. Mekanisme kerja senyawa ini adalah berkaitan dengan kemapuannya menghambat secara selektif respirasi eukariotik. Penerapan langsung pada bidang pertanian tidak dapat dilakukan karena kurang stabil atau cepat rusak teroksidasi oleh udara. Para ahli kemudian mencari analog yang dapat diterapkan di bidang pertanian, tetapi dengan kestabilan yang cukup tinggi. Melalui dengan kajian hubungan struktur-aktivitas dapat terungkap bagian molekul yang paling penting untuk aktivitas antijamur adalah bagian ester metil 3-metoksiakrilat, dan dengan membuat berbagai turunan senyawa ini diperoleh kandidat yang potensial, yaitu senyawa yang diberinama Amistar (23) oleh perusahan Zeneca.
Struktur molekul Amistar lebih sederhana dan dapat dibuat dalam skala besar melalui cara sintesis sebagaimana pada Gambar 10. Contoh ini menggambarkan bahwa kajian kimia bahan alam, yang diikuti oleh kajian biologis, dan kajian hubungan struktur-aktivitas, dapat menghsilkan suatu produk komersial yang potensial secara ekonomi.
O
CH3
CH3 O
O
CH3 O
CH3
O
H3C
H3C
Strobilurin A (21)
CH3
O
Ouesmansin A (22)
1. NaH/HCO2CH3 O
O
H2/Pd O
2. K2CO3, (CH3)SO4
HO
O
COOCH3
OCH3
O
OCH3
N Cl
N
N Cl
Cl
OCH3
CN
N O
N
OCH3 OCH3
N
O
ONa
O
OCH3
CN
O O
Amistar (23)
OCH3 OCH3
Gambar 10. Pembuatan skala industri obat antijamur amistar (23) sebagai analog strobilurin A (21). Bidang Biokimia dan Biologi Molekular Pengetahuan senyawa alam dalam konteks struktur molekul dan uji biologis merupakan kegiatan awal dalam menggali potensi ekonomi sumber daya alam. Tetapi pertanyaan bagaimana senyawa aktif tersebut dibuat juga sangat penting karena memungkinkan untuk dilakukan pengaturan produksinya di alam. Pada kurun waktu sebelum akhir abad-20, pendekatan untuk mendapatkan kearah itu adalah melalui penelaahan biokimia (pada tingkat enzim atau biosintesis), atau biosintesis. Namun demikian, dengan lahirnya pendekatan biologi molekular (pada tingkat genetika), kajian-kajian bagaimana senyawa aktif dibuat secara biologis
dapat “merambah” hingga ke pengaturan tingkat genetika. Pada bagian ini akan dibicarakan biosintesis giberelin dan perkembangan reaksi enzimatik oleh enzim poliketida sintase (PKS). Jalur biosintesis giberelin pada tumbuh-tumbuhan dan jamur telah dieludasi dengan lengkap. Gambar 11 memperlihatkan jalur pembentukan giberelin pada tumbuh-tumbuhan, yang dapat dibagi kedalam empat tahap: 1.
Pengubahan prekursor geranilgeranil difosfat (GGDP) menjadi kerangka dasar ent-kauren, yang melibatkan dua enzim (CPS dan KS).
2.
Serangkaian reaksi oksidasi terhadap ent-kauren menjadi asam ent-kaurenoat oleh enzim KO.
3.
Oksidasi lebih lanjut asam ent-kaurenoat oleh enzim KAO menjadi giberelin yang pertama, yaitu GA12. Pada tahap ini juga disertai dengan kontraksi cincin dari cincin C6 menjadi cincin C5.
4.
Pengubahan GA12 menjadi berbagai jenis giberelin sebagaimana dinyatakan pada gambar. Berbagai enzim yang terlibat pada tahap ini adalah enzim 2ox, 20ox, dan 3ox.
Walaupun pada tahap dihasilkan banyak jenis giberelin, hanya beberapa saja yang bersifat bioaktif, yaitu GA1, GA3, dan GA4.
7.
Kesimpulan Kajian kimia bahan alam tidak terpisahkan dari keingintahuan manusia terhadap
komposisi dan struktur materi, termasuk komposisi dan struktur senyawa-senyawa yang diproduksi oleh organisme (tumbuhan dan mikroba). Pengetahuan terhadap senyawa alam telah memberikan gambaran molekular bagaimana organisme merekayasa senyawa kimia primer (glukosa) menjadi beragam yang luas senyawa-senyawa metabolit sekunder. Pada gilirannya pengetahuan tersebut memberi arahan kepada para ahli untuk mencari kegunaan dari senyawa-senyawa alam tersebut, terutama untuk kesehatan dan pertanian. Pengetahuan struktur molekul dan sifat biologis senyawa alam juga telah menginspirasi para ahli yang lain dalam merancang senyawa analog sejenis untuk mendapatkan senyawa bioaktif baru. Apabila ditengok sejarah kemajuan negara-negara maju, seperti negara Eropa, Amerika, dan Jepang, dalam perspektif penciptaan bahan-bahan “kimiawi”, tampak berawal dari kemampuan mereka mampu mengungkapkan struktur materi kedalam terminologi “struktur molekul”, sehingga sifat-sifat fisik dan biologis dari bahan-bahan tersebut dapat dipelajari dan diterapkan pada peningkatan kualitas kehidupan.
Kimia bahan akan tetap menjadi bagian dari kegiatan kimia ke depan dengan tantangan yang berbeda, terutama dalam bidang kesehatan dan pertanian. Perkembangan yang pesat pada genetika molekular akan banyak membantu pada penelitian senyawa alam dari sisi genetika dan biokimia enzim. Dampak dari perkembangan yang pesat pada genetika molekular tersebut akan memberikan pengetahuan yang lebih mendalam terhadap aspek kehidupan makhluk hidup dan dapat dimanfaatkan untuk kehidupan manusia yang lebih baik lagi.
DAFTAR PUSTAKA 1.
Rainsford KD. Dalam: KD Rainsford, Aspirin and Related Drugs, CRC Press, Taylor & Francis, London, 2004, hal. 1-23.
2.
Brian PW, Grove JF, MacMillan J. Prog. Chem. Nat. Prod., 1960, 18, 351-433.
3.
Faulkner DJ. “Marine natural products”, Nat. Prod. Rep., 1999, 16, 155-198.
4.
Simonsen J, Barton DHR. The Terpenes, Vol. III, Cambridge University Press, 1952, hal. 1218.
5.
Mukherjii SM, Bhattacharyya NK. J. Am. Chem. Soc., 1953, 75, 4698-4700.
6.
Ruzicka L. Experientia, 1953, 9, 357.
7.
Coggon P, janes NF, King FE, Molyneux RJ, Morgan JWW, Sellars K. J. Chem. Soc., 1965, 406-409; Coggon P, McPhail AT, Wallwork SC. J. Chem. Soc. (B), 1970, 884-897.
8.
Blumich B. Essential NMR, Springer-Verlag, Berlin, 2005, hal. 16-55.
9.
Lihat pustaka nomor 1 –38 pada bagian “Daftar Publikasi Penulis”.
10.
Perkin AG, Frank C. Perkin AG. J. Chem. Soc. Trans., 1895, 67, 934-944; J. Chem. Soc. Trans., 1897, 69, 186-191; 1905, 77, 715-722.
11.
Dave KG, Venkataraman K. J. Sci. Ind. Res., 1956, 15B, 183-190.
12.
Dave KG, Mani R, Venkantaraman K. J. Sci. Ind. Res., 1961, 20B, 112-121.
13.
Koshihara Y, Fujimoto Y, Inoue H. Biochem. Pharmacol., 1988, 37, 2161-2165; Fujimoto Y, Koshihara Y, Sumatera M, Agustin S. Jpn. Kokai Tokkyo Toho, 1988, 5 halaman (JKXXAF JP 63023816 A 198801201 Showa); Fujimoto Y, Agustin S, Sumatera M. Jpn. Kokai Tokkyo Toho, 1987, 5 halaman (JKXXAF JP 62270544 A 19871124 Showa); Koshihara Y, Fujimoto Y, Inoue H. Ensho, 1988, 8, 543-546; Nakano J, Uchida K, Fujimoto Y. Heterocycles, 1989, 29, 427-430.
14.
Nomura T. Fortschr. Chem. Org. Naturst., 1988, 53, 7-201; Nomura T, Hano Y. Nat. Prod. Rep., 1994, 11, 201-218; Nomura T, Hano Y, Aida M. Heterocycles, 1998, 1179-1205.
15.
Myles DC. Curr. Op. Biotechnol., 2003, 14, 627-633.
16.
Butler MS. Nat. Prod. Rep., 2005, 22, 162-195.
17.
Newman DJ and Cragg GM. J. Nat. Prod., 2007, 70, 461-477.
18.
Mander LN. Nat. Prod. Rep., 2003, 20, 49-69.
