PENAMBATAN MOLEKULER: EKSPLORASI INHIBITOR SODIUM GLUCOSE CO-TRANSPORTER 2 DARI SENYAWA TANAMAN HERBAL INDONESIA SEBAGAI TERAPI DIABETES MELITUS TIPE 2
SKRIPSI
Untuk Memenuhi Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Kedokteran
RAFI AMANDA REZKIA A. G0012171
FAKULTAS KEDOKTERAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET Surakarta 2015
PENGESAHAN SKRIPSI
Skripsi dengan Judul: Penambatan Molekuler: Eksplorasi Inhibitor Sodium Glucose Co-transporter 2 dari Senyawa Tanaman Herbal Indonesia sebagai Terapi Diabetes Melitus Tipe 2 Rafi Amanda Rezkia A, NIM: G0012171, Tahun: 2015 Telah diuji dan sudah disahkan di hadapan Dewan Penguji Skripsi Fakultas Kedokteran Universitas Sebelas Maret Pada Hari Senin, 14 Desember 2015 Pembimbing Utama Nama : Dono Indarto, dr., M.Biotech.St., Ph.D., AIFM NIP : 19670104 199601 1 001 ............................... Pembimbing Pendamping Nama : Balgis, dr., M.Sc., CM, FM NIP : 19640719 199903 2 003
...............................
Penguji Utama Nama : Ratna Kusumawati, dr., M.Biomed NIP : 19810401 200501 2 001
...............................
Penguji Pendamping Nama : Yuliana Heri Suselo, dr., M.Sc. NIP : 19800718 200604 2 001
...............................
Surakarta, __________________ Ketua Tim Skripsi
Ketua Program Studi
Kusmadewi Eka Damayanti, dr., M.Gizi NIP 19830509 200801 2 005 ii
Sinu Andhi Jusup, dr., M.Kes. NIP 19700607 200112 1 002
PERNYATAAN
Dengan ini menyatakan bahwa dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan penulis juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Surakarta, 14 Desember 2015
Rafi Amanda Rezkia A. NIM. G0012171
iii
ABSTRAK Rafi Amanda Rezkia A, G0012171, 2015. Penambatan Molekuler: Eksplorasi Inhibitor Sodium Glucose Co-transporter 2 dari Senyawa Tanaman Herbal Indonesia sebagai Terapi Diabetes Melitus Tipe 2. Skripsi. Fakultas Kedokteran, Universitas Sebelas Maret, Surakarta. Latar Belakang : Sekitar 95% penderita diabetes melitus (DM) di dunia merupakan penderita DM tipe 2. Keberhasilan terapi DM saat ini sangat bergantung pada pemakaian obat antidiabetes dengan efektivitas hanya 25-50%. Inhibitor sodium glucose co-transporter 2 (SGLT2) adalah obat anti diabetes baru yang ditujukan untuk terapi personal penderita DM tipe 2 yang mengalami mutasi SGLT2 di ginjal. Mutasi SGLT2 menyebabkan peningkatan reabsorpsi glukosa sehingga memperburuk keadaan hiperglikemia. Saat ini inhibitor SGLT2 belum tersedia di Indonesia. Banyak tanaman herbal Indonesia yang dapat dimanfaatkan untuk terapi alternatif suatu penyakit termasuk DM. Penelitian ini bertujuan untuk mengeksplorasi senyawa tanaman herbal Indonesia yang memiliki aktivitas sebagai inhibitor SGLT2 untuk pengembangan terapi DM tipe 2. Metode Penelitian : Penelitian ini merupakan penelitian bioinformatika. Struktur tiga dimensi SGLT2 diperoleh melalui pemodelan homologi di laman SWISSMODEL. Senyawa standar yang digunakan adalah struktur tiga dimensi dapagliflozin yang diunduh dari basis data ZINC dengan kode akses ZINC03819138. Sampel penelitian adalah seluruh senyawa tanaman herbal Indonesia yang memiliki struktur tiga dimensi (dalam basis data HerbalDB dan PubChem) dan memenuhi kriteria Lipinski’s rule of five. Penambatan molekuler antara senyawa tanaman herbal Indonesia dengan SGLT2 dilakukan dengan software AutodockVina 1.1.2 sebanyak tiga kali untuk mendapatkan energi ikatan dalam satuan kkal/mol. Lokasi interaksi yang terjadi dianalisis dengan menggunakan software PyMol 1.7 dan Chimera 1.9. Senyawa dengan energi ikatan lebih rendah dan berikatan mirip dengan dapagliflozin dipilih sebagai kandidat inhibitor SGLT2. Hasil Penelitian : Validasi SGLT2 dengan dapagliflozin menghasilkan energi ikatan -9,0 kkal/mol dan terjadi interaksi di residu Asn 75, Gly 79, dan His 80. Dari 422 sampel, didapatkan 29 senyawa dengan energi ikatan lebih rendah daripada dapagliflozin, tetapi hanya senyawa epicatechin gallate yang berinteraksi di ketiga residu binding site yang sama dengan dapagliflozin. Simpulan : Epicatechin gallate yang terdapat pada spesies Averrhoa carambola diprediksi sebagai inhibitor SGLT2 yang lebih poten dibandingkan dapagliflozin secara komputasional. Penelitian in vitro sebaiknya dilakukan untuk menguji aktivitas epicatechin gallate sebagai inhibitor SGLT2. Keywords: DM tipe 2, penambatan molekuler, senyawa tanaman herbal Indonesia, SGLT2. iv
ABSTRACT Rafi Amanda Rezkia A, G0012171, 2015. Molecular Docking: Exploration of Sodium Glucose Co-transporter 2 Inhibitor from Indonesian Herbal Plants Compounds for Type 2 Diabetes Therapy. Mini Thesis. Faculty of Medicine, Sebelas Maret University, Surakarta. Background : Around 95% of diabetes patients in the world are patients of type 2 diabetes (T2DM). Nowadays, the success of therapy relies on the use of anti diabetic drugs with number of effectiveness is only about 25-50%. SGLT2 inhibitor is a new anti diabetic agent. This agent is directed for personalize medicine of patients with type 2 diabetes (T2DM) who have SGLT2 mutation in the kidney. Physiologically, SGLT2 has to reabsorb glucose in the kidney tubules. In T2DM patients, SGLT2 mutation enhances glucose reabsorption that hyperglycemia becomes worse. SGLT2 inhibitor is currently not available in Indonesian market. There are many Indonesian herbal plants which are widely used for alternative therapy of some diseases including diabetes. The aim of this study was to explore active compounds of Indonesian herbal plants as SGLT2 inhibitor for T2DM therapy. Methods: This research was a bioinformatic study. The three-dimensional structure of SGLT2 was determined using homology modelling with SWISSMODEL. The molecular structure of dapagliflozin was used as a standard compound and obtained from ZINC database with ZINC03819138 access code. All Indonesian herbal plants that have three-dimensional structures, were registered in HerbalDB and PubChem database, and fulfilled Lipinski’s rule of five criteria were used in this study. All compounds were docked three times on SGLT2 by AutodockVina 1.1.2 software to obtain binding affinities in kcal/mol unit. Sites of compound-SGLT2 binding complexes were analyzed using PyMol 1.7 and Chimera 1.9 software. Compounds that have lower binding affinity and similar interaction to dapagliflozin was selected as SGLT2 inhibitor candidates. Results: SGLT2 was validated with dapagliflozin with 9.0 kcal/mol binding affinity. The standard compound interacted with SGLT2 at Asn 75, Gly 79, and His 80 residues. From 422 samples, 29 compounds with lower binding affinities than dapagliflozin was obtained, but only epicatechin gallate that had similar binding interaction at all three residues with dapagliflozin. Conclusion: Epicatechin gallate that can be found in Averrhoa carambola species was computationally predicted to be a more potent SGLT2 inhibitor than dapagliflozin. In vitro study should be conducted to confirm epicatechin gallate activity as SGLT2 inhibitor. Keywords: Type 2 diabetes, molecular docking, Indonesian herbal plants compounds, SGLT2.
v
PRAKATA Segala puji syukur penulis berikan kepada Allah SWT atas segala berkah, rahmat, serta karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi dengan judul “Penambatan Molekuler: Eksplorasi Inhibitor Sodium Glucose Co-Transporter 2 dari Senyawa Tanaman Herbal Indonesia sebagai Terapi Diabetes Melitus Tipe 2”. Penulis menyadari bahwa penelitian ini tidak lepas dari kerjasama dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, dengan penuh rasa hormat, penulis mengucapkan terimakasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Prof. Dr. Hartono, dr., M.Si selaku Dekan Fakultas Kedokteran Universitas Sebelas Maret Surakarta. 2. Dono Indarto, dr.,M.Biotech.St.,Ph.D.,AIFM selaku Pembimbing Utama dan Balgis, dr., M.Sc., CM, FM selaku Pembimbing Pendamping yang telah meluangkan banyak waktu untuk memberikan bimbingan dan saran yang membangun hingga terselesaikannya skripsi ini. 3. Ratna Kusumawati, dr.,M.Biomed selaku Penguji Utama dan Yuliana Heri Suselo, dr., M.Sc. selaku Penguji Pendamping yang telah berkenan menguji dan memberikan saran dalam penyusunan skripsi ini. 4. Kusmadewi Eka Damayanti, dr., M.Gizi selaku Ketua Tim Skripsi FK UNS, Yulia Sari, S.Si, M.Si selaku Sekretaris Tim Skripsi FK UNS, Maryani, dr., M.Si., Sp.MK selaku penguji dari Tim Skripsi beserta Sri Enny Narbrietty, S.H., M.H. dan Bp. Sunardi selaku Sekretariat Tim Skripsi FK UNS 5. Yang tercinta Ayahanda Amradani, S.E., Ibunda Dra. Tintin Sumarni, M.H., Bung Pandu Prayoga, S.H., Kyai Drs. Ahmad Basyar AH, M.M., beserta seluruh keluarga besar, yang senantiasa mendoakan, memberikan dukungan dan semangat dalam penyusunan skripsi ini. 6. Prathita Nityasewaka dan Asti Swari P sebagai teman seperjuangan serta Mas Yoga Mulia Pratama, S.Ked., yang telah sabar membantu dalam praktek penambatan molekuler. 7. Sahabat terkasih Erika V, Mutiani Rizki, Ni Nyoman W, Fentysa Davisni, Diantika Khairani, Keluarga cemara A1, kelompok tutorial yeah A9 yang telah memberikan semangat dan bantuan dalam penyusunan skripsi ini. Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penelitian dan penyusunan skripsi ini. Saran, koreksi, dan tanggapan dari semua pihak sangat penulis harapkan. Akhir kata, penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi seluruh pembaca.
Surakarta, 14 Desember 2015
Rafi Amanda Rezkia A.
vi
DAFTAR ISI
PRAKATA .......................................................................................................... vi DAFTAR ISI ....................................................................................................... vii DAFTAR TABEL ............................................................................................... x DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xi DAFTAR SINGKATAN ................................................................................... xii DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................... xiv BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1 A. Latar Belakang Masalah .................................................................... 1 B. Rumusan Masalah ............................................................................. 4 C. Tujuan Penelitian .............................................................................. 4 D. Manfaat Penelitian ............................................................................ 4 BAB II LANDASAN TEORI ............................................................................ 6 A. Tinjauan Pustaka ............................................................................... 6 1. Diabetes Melitus Tipe 2 .............................................................. 6 2. Manajemen Penatalaksanaan DM Tipe 2 .................................... 6 3. Peran Ginjal dalam Homeostasis Glukosa pada Penderita DM Tipe 2 .......................................................................................... 13 4. Sodium Glucose Co-transporter ................................................. 15 5. Inhibitor SGLT2 pada Terapi DM tipe 2 .................................... 18 6. Tanaman Herbal .......................................................................... 20 a. Senyawa Tanaman Herbal yang Bermanfaat
vii
dalam Pengobatan................................................................. 20 b. Pemanfaatan Tanaman Herbal untuk Terapi DM Tipe 2 .................................................................................... 22 7. Penambatan Molekuler ............................................................... 24 a. Dasar Penambatan Molekuler .............................................. 24 b. Program Penambatan Molekuler : AutoDock Vina .............. 26 c. Basis Data dan Pemodelan Homologi ................................. 27 d. Lipinski’s Rule of Five .......................................................... 30 e. Aplikasi Penambatan Molekuler terhadap Pengembangan Obat ............................................................. 31 B. Kerangka Pemikiran .......................................................................... 33 BAB III METODE PENELITIAN...................................................................... 34 A. Jenis Penelitian .................................................................................. 34 B. Lokasi Penelitian ............................................................................... 34 C. Sampel Penelitian .............................................................................. 34 D. Alur Penelitian .................................................................................. 35 E. Instrumen Penelitian.......................................................................... 36 F. Cara Kerja ......................................................................................... 37 G. Teknik Analisis Data ......................................................................... 39 BAB IV HASIL PENELITIAN .......................................................................... 40 A. Pemodelan Homologi SGLT2 ........................................................... 40 B. Validasi Penambatan Molekuler SGLT2 dengan Senyawa Standar............................................................................................... 42
viii
C. Hasil Penambatan Molekuler SGLT2 dengan Senyawa Tanaman Herbal Indonesia ............................................................... 43 BAB V PEMBAHASAN .................................................................................... 46 A. Analisis Karakteristik Molekuler dengan Kriteria Lipinski’s Rule of Five ....................................................................................... 50 B. Analisis Fungsi Terapeutik dan Sumber Tanaman Senyawa Tanaman Herbal Indonesia yang Berpotensi sebagai Inhibitor SGLT2 ............................................................................................... 53 C. Keterbatasan Penelitian ..................................................................... 56 BAB VI SIMPULAN DAN SARAN.................................................................. 57 A. Simpulan ........................................................................................... 57 B. Saran .................................................................................................. 58 DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 59 LAMPIRAN ........................................................................................................ 71
ix
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Spesifikasi substrat dan distribusi varian SGLT ................................ 15 Tabel 2.2. Daftar beberapa senyawa metabolit sekunder dan manfaatnya untuk kesehatan ............................................................................................ 21 Tabel 2.3. Beberapa contoh keberhasilan pengembangan obat dengan metode penambatan molekuler ....................................................................... 32 Tabel 4.1. Daftar senyawa hasil penambatan molekuler dengan energi ikatan lebih rendah dibandingkan dengan standar dan memiliki interaksi dengan binding site SGLT2................................................................ 45 Tabel 5.1. Perbandingan
karakteristik
molekuler
lima
senyawa
hasil
penambatan molekuler dengan dapagliflozin..................................... 51
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Mekanisme kerja metformin di sel hepar ....................................... 9 Gambar 2.2. Transpor glukosa oleh SGLT dan GLUT di tubulus proksimal ginjal .............................................................................................. 15 Gambar 2.3. Topologi struktur vSGLT ............................................................... 17 Gambar 2.4. Struktur superposisi binding site antara vSGLT dan SGLT2 ......... 18 Gambar 4.1. Superposisi struktur tiga dimensi hasil pemodelan homologi SGLT2 dan template vSGLT ........................................................ 40 Gambar 4.2. Sequence alignment antara SGLT2 dengan template ................... 41 Gambar 4.3. Kurva interpretasi hasil pemodelan homologi ................................ 42 Gambar 4.4. Hasil visualisasi penambatan molekuler SGLT2-dapagliflozin ..... 43 Gambar 5.1. Hasil visualisasi senyawa kelompok A yang memiliki ikatan mirip dengan dapagliflozin ........................................................................ 48
Gambar 5.2. Hasil visualisasi senyawa kelompok B dan C yang memiliki ikatan mirip dengan dapagliflozin ............................................................... 50
Gambar 5.3. Struktur dua dimensi senyawa ellagic acid dengan delapan atom O dan dapagliflozin dengan enam atom O .................................... 52 Gambar 5.4. Struktur dua dimensi senyawa epicatechin gallate ........................ 53 Gambar 5.5. Perbandingan struktur 2 dimensi senyawa gibberellin A1, A4, A9, dan A20................................................................................... 55 Gambar 5.6. Struktur dua dimensi brucine dan aricine ...................................... 56
xi
DAFTAR SINGKATAN
AGi
: alpha glucosidase inhibitor
Ala
: alanine
AMPK
: adenosine monophosphate kinase
Asn
: asparagine
ATP
: adenosine triphosphate
DM
: diabetes melitus
DPP-4
: dipeptidil peptidase-4
Gln
: glutamine
Glu
: glutamic acid
GLUT
: facilitative glucose transporter
Gly
: glycine
His
: histidine
ILS
: iterated local search
Lys
: lysine
OAD
: obat antidiabetes
OCT1
: organic cation transporter
PDB
: protein data bank
PDK4
: pyruvate dehydrogenase kinase 4
PGC1-α
: peroxisome proliferator-activated receptor coactivator 1- α
Phe
: phenylalanine
PPAR β/δ
: peroxisome proliferator-activated receptor β/δ
xii
SBVS
: structure-based virtual screening
Ser
: serine
SGLT
: sodium glucose co-transporter
SLC
: Solute carrier family
SU
: sulfonilurea
TM
: transmembrane helices
Trp
: tryptophan
Tyr
: tyrosine
TZD
: tiazolidindion
Val
: valine
VS
: virtual screening
xiii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Pemodelan Homologi SGLT2 oleh Laman SWISS-MODEL ........ 71 Lampiran 2. Daftar Sampel Senyawa Tanaman Herbal Indonesia ................... .72 Lampiran 3. Visualisasi Hasil Penambatan Molekuler SGLT2 dengan 29 Senyawa Tanaman Herbal Indonesia yang Memiliki Ikatan Lebih Rendah dari Standar .................. 78
xiv
