STUDI INTERAKSI ANTARA SISTEIN (220) PADA p53 DAN MIRA-1 MELALUI PENDEKATAN MEKANIKA KUANTUM NINDITA CLOURISA AMARIS SUSANTO

perpustakaan.uns.ac.id

digilib.uns.ac.id

STUDI INTERAKSI ANTARA SISTEIN (220) PADA p53 DAN MIRA-1 MELALUI PENDEKATAN MEKANIKA KUANTUM

Disusun Oleh :

NINDITA CLOURISA AMARIS SUSANTO M0307058

SKRIPSI Diajukan untuk memenuhi sebagian persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains Kimia

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA 2012 commit to user

i


digilib.uns.ac.id

PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi saya yang berjudul “STUDI INTERAKSI ANTARA SISTEIN (220) PADA p53 DAN MIRA-1 MELALUI PENDEKATAN MEKANIKA KUANTUM” belum pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga belum pernah ditulis atau dipublikasikan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Surakarta, 7 September 2012

NINDITA CLOURISA AMARIS SUSANTO

STUDI INTERAKSI ANTARA SISTEIN (220) PADA p53 DAN MIRA-1 MELALUI PENDEKATAN MEKANIKA KUANTUM commit to user

iii


digilib.uns.ac.id

NINDITA CLOURISA AMARIS SUSANTO Jurusan Kimia. Fakultas MIPA. Universitas Sebelas Maret.

ABSTRAK MIRA-1 (Mutant p53-dependent Induction of Rapid Apoptosis 1) diusulkan membentuk adduct dan menginduksi reaktivasi p53. Kebolehjadian pembentukan adduct antara ikatan rangkap C-C MIRA-1 dan gugus tiol dari sistein (220) dapat dipengaruhi oleh rantai samping fleksibel dari MIRA-1 dan asam amino protein dari p53 disekitar MIRA-1. Kebolehjadian pembentukan adduct dipelajari dengan penambahan asam amino bertahap untuk membentuk sebuah konfigurasi terpilih. Hanya asam amino yang mempunyai minimal satu atom dengan jarak maksimum 5 Å dengan satu atom MIRA-1 yang dipilih untuk penelitian ini. Jarak yang relatif dekat diasumsikan memberikan pengaruh besar pada distribusi kerapatan elektron dari MIRA-1. Distribusi kerapatan elektron ditentukan melalui perhitungan single point NBO pada level teori HF (Hartree Fock) dan fungsi basis 6-31G *. Hasil perhitungan menunjukkan kontribusi rantai samping fleksibel dari MIRA-1 dan asam amino protein dari p53 disekitar MIRA-1 terhadap distribusi kerapatan elektron dari ikatan rangkap C-C dan dapat menyebabkan polarisasi. Polarisasi memberikan karbon bermuatan parsial positif sehingga terdapat kebolehjadian serangan nukleofilik dan pembentukan adduct tiol pada posisi ikatan rangkap C-C MIRA-1 Kata kunci: MIRA-1, konfigurasi, adduct, QM, NBO, polarisasi

INTERACTION STUDY BETWEEN CYSTEINE (220) OF p53 AND MIRA-1 BY MEANS OF QUANTUM MECHANICAL APPROXIMATION commit to user

iv


digilib.uns.ac.id

NINDITA CLOURISA AMARIS SUSANTO Department of Chemistry. Faculty of Mathematics and Natural Sciences. Sebelas Maret University.

ABSTRACT MIRA-1 (Mutant p53-dependent Induction of Rapid Apoptosis 1) was proposed to form adduct and induces reactivation of p53. Probability of adduct formation between C-C double bond of MIRA-1 and thiol group of cysteine (220) can be affected by flexible side chain from MIRA-1 and surrounding protein amino acid of p53. The probability of adduct formation were studied by stepwise addition of amino acid to form a selected configurations. Only amino acids which have at least one atom at the distance of maximum 5Å to one atom of MIRA-1 were choosen for this study. Relative proximity is assumed to provide a major influence on the electron density distribution of MIRA-1. Electron density distribution was determined by means of NBO single point calculation at the HF (Hartree Fock) level of theory and 6-31G* basis function. The calculation results demonstrate a contribution of flexible side chain from MIRA-1 and surrounding protein amino acid of p53 to the distribution of electron density of C-C double bond and may induce polarization. Polarization gives a partial positive charge of carbon so there is possibility of nucleophilic attack and the formation of thiol adduct at position C-C double bond of MIRA-1. Keyword : MIRA-1, configuration, adduct, QM, NBO, polarization

MOTTO

commit to user

v


digilib.uns.ac.id

Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. Maka apabila kamu telah selesai (dari sesuatu urusan), kerjakanlah dengan sungguh-sungguh (urusan) yang lain dan hanya kepada Tuhanmulah hendaknya kamu berharap (Al Insyiraah: 5-8) Sebaik – baiknya manusia adalah manusia yang bermanfaat bagi orang lain (H. R. Muslim) You do not really understand something unless you can explain it to your grandmother (Albert Einstein)

PERSEMBAHAN commit to user

vi


digilib.uns.ac.id

Karya ini saya persembahkan untuk,

Orangtuaku tersayang, maaf kalau tidak bisa menyelesaikan ini semua tepat waktu. Terimakasih atas kasih sayang dan do‟a yang selalu tercurah untukku. Adikku tercinta, yang selalu memberikan dukungan untukku. Semua pembaca, semoga dapat lebih bermanfaat.

KATA PENGANTAR commit to user

vii


digilib.uns.ac.id

Segala puji dan segenap syukur bagi Allah SWT yang telah menunjukkan jalan yang indah bagi penulis sehingga skripsi ini dapat penulis selesaikan dengan baik sebagai salah satu persyaratan dalam memperoleh gelar sarjana sains Jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta. Atas segala karunia-Nya pulalah penulis menyadari bahwa segala sesuatu memiliki proses dan waktunya masing-masing. Dalam menyusun skripsi ini penulis menemui berbagai hambatan dan permasalahan yang beragam. Namun, atas bimbingan, kritikan, saran, dan dorongan semangat yang bermanfaat dari berbagai pihak, semua hambatan dan permasalahan tersebut dapat penulis atasi dengan baik. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah membantu penulis, yaitu sebagai berikut. 1. Prof. Ir. Ari Handono Ramelan., M.Sc., Ph.D., selaku dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret Surakarta 1.

Dr. Eddy Heraldy., M.Si., selaku ketua jurusan Kimia Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sebelas Maret, Surakarta

2.

Dr. Khoirina Dwi N., M.Si., selaku pembimbing akademik

3.

Dr.rer.nat. Fajar R. Wibowo., M.Si., selaku pembimbing skripsi, yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis dari awal hingga akhir

4.

I.F. Nurcahyo., M.Si., selaku ketua laboratorium Kimia Dasar, yang telah memberikan akses bagi penulis melakukan penelitian di laboratorium Kimia Dasar bagian Komputasi Kimia

5.

Bapak Ibu dosen dan seluruh staf jurusan Kimia yang telah memberikan fasilitas dan pelayanan yang baik bagi penulis

6.

Bapak, Mama dan Bela dirumah, terimakasih atas dukungan dan motivasi yang diberikan untuk segera menyelesaikan karya ini

7.

Computational Chemistry Comunity, terimakasih atas bantuan dan motivasi yang telah diberikan

8.

Teman-teman Kimia‟07 dan semua pihak yang tidak mungkin disebutkan satu commit to user selama ini per satu, terimakasih atas semua dukungannya viii


digilib.uns.ac.id

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari semua pihak dalam rangka untuk menyempurnakan skripsi ini. Akhirnya penulis berharap, semoga karya kecil ini dapat memberikan manfaat bagi ilmu pengetahuan dan bagi pembaca.

Surakarta, September 2012

Nindita Clourisa Amaris Susanto

DAFTAR PUSTAKA commit to user

ix

Halaman


digilib.uns.ac.id

HALAMAN JUDUL............................................................................................

i

HALAMAN PENGESAHAN .............................................................................. ii HALAMAN PERNYATAAN ............................................................................. iii HALAMAN ABSTRAK ...................................................................................... iv HALAMAN ABSTRACT ................................................................................... v HALAMAN MOTTO ......................................................................................... vi HALAMAN PERSEMBAHAN ......................................................................... vii KATA PENGANTAR ......................................................................................... viii DAFTAR ISI ........................................................................................................ x DAFTAR TABEL ................................................................................................ xii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xiii DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................... xv BAB I PENDAHULUAN .................................................................................... 1 A. Latar Belakang..................................................................................... 1 B. Perumusan Masalah ............................................................................. 3 1. Identifikasi Masalah ........................................................................ 3 2. Batasan Masalah ............................................................................ 4 3. Rumusan Masalah ........................................................................... 5 C. Tujuan Penelitian ................................................................................. 5 D. Manfaat Penelitian ............................................................................... 5 BAB II LANDASAN TEORI .............................................................................. 6 A.

Tinjauan Pustaka ................................................................................. 6 1. Mutan Y220C ..................................................................................

6

2. Aktivitas MIRA-1 ............................................................................. 8 3. Reaksi Enzimatis ............................................................................ 10 4. Gaya Antarmolekul......................................................................... 12 5. Reaksi Addisi Nukleofilik Karbon Tak Jenuh-α,β ......................... 14 6. Docking ........................................................................................... 16 7. Quantum Mechanics (QM) ............................................................. 16 8. Natural Bond Orbital (NBO) ......................................................... 18 commit to user 9. Metode Komputasi .......................................................................... 19 x


digilib.uns.ac.id

10. Fungsi Basis .................................................................................... 19 B.

Kerangka Pemikiran ............................................................................ 20

C.

Hipotesis .............................................................................................. 22

BAB III METODOLOGI PENELITIAN............................................................. 23 A. Metode Penelitian ............................................................................... 23 B. Tempat dan Waktu Penelitian ............................................................. 23 C. Alat dan Bahan yang Dibutuhkan ........................................................ 23 1. Alat.................................................................................................. 23 2. Bahan .............................................................................................. 23 D. Prosedur Penelitian…………………………………………..……. ... 23 1. Kompleks Protein-Ligan ................................................................ 23 a. Pembentukan Konfigurasi ......................................................... 23 b. Persiapan Perhitungan ............................................................... 24 2. Perhitungan Analisis Populasi ....................................................... 24 a. Optimasi Geometri .................................................................... 24 b. Single Point ............................................................................... 25 E. Teknik Pengumpulan dan Analisis Data ............................................ 25 1. Pengumpulan Data.......................................................................... 25 2. Analisis Data .................................................................................. 25 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................. 27 A.

Kompleks Protein-Ligan ................................................................ 27

B.

Perhitungan Analisis Populasi ....................................................... 32

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................... 49 DAFTAR PUSTAKA. ......................................................................................... 50 LAMPIRAN ........................................................................................................ 54

DAFTAR TABEL Halaman commit to user

xi


digilib.uns.ac.id

Tabel 1.

Jari –jari van der Waals beberpa unsur .......................................... 14

Tabel 2.

Jarak antara atom dari asam amino ke atom MIRA-1.................... 30

Tabel 3.

Nilai muatan parsial masing – masing atom penyusun MIRA-1 ........................................................................................

DAFTAR GAMBAR commit to user

xii

34


digilib.uns.ac.id

Halaman Gambar 1.

Struktur p53 termutasi yang menunjukkan letak atau posisi Y220C.. ......................................................................... 7

Gambar 2.

PhiKan083 (surface warna hijau) berada pada lekukan mutasi (cavity) mutan Y220C ........................................... 7

Gambar 3.

Posisi fragmen bezodiazol (warna merah muda) di lekukan mutasi mutan Y220C .................................................... 8

Gambar 4.

Struktur turunan maleimida A. Turunan aktif maleimidan B. Turunan tidak aktif maleimida ................................................... 9

Gambar 5.

Struktur MIRA-3 dan MQ (produk dekomposisi PRIMA-1) ......... 10

Gambar 6.

Mekanisme induced-fit pada enzim ................................................ 12

Gambar 7.

Model untuk ilustrasi jarak antar atom .......................................... 14

Gambar 8.

Mekanisme reaksi adisi nukeofilik 1,4 (serangan pada C=C) ...................................................................... 16

Gambar 9.

Kompleks p53 termutasi Y220C dengan MIRA-1 hasil docking dan warna hitam menunjukkan MIRA-1 ........................................ 28

Gambar 10. Kompleks p53-MIRA-1 pada daerah mutan Y220C dan warna hitam menunjukkan MIRA-1 ........................................ 29 Gambar 11. Surface bagian asam amino – asam amino dari lekukan mutasi yang berada di sekitar MIRA-1 dan warna hitam menunjukkan MIRA-1............................................................................................ 31 Gambar 12. Struktur MIRA-1 teroptimasi .......................................................... 33 Gambar 13. Struktur MIRA-1 dari kompleks Y220C-MIRA-1 hasil docking .................................................................................... 36 Gambar 14. Konfigurasi – konfigurasi dengan penambahan asam amino secara parsial dan nilai ∆occupancy C1=C2 dari masing – masing tambahan asam amino.................................................................... 37 Gambar 15. Konfigurasi ke-2 dengan adanya tarikan elektron yang lebih besar dari salah satu sisi ikatan rangkap C-C........................................... 42 Gambar 16. Polarisasi ikatan rangkap C-C dipengaruhi lekukan mutasi commit to user (konfigurasi ke-8) ........................................................................... 43 xiii


digilib.uns.ac.id

Gambar 17. Konfigurasi ke-6 dengan induksi dari valin memberikan tingkat polarisasi tinggi pada ikatan rangkap C-C ...................................... 44 Gambar 18. Struktur MIRA-A, MIRA-B dan MIRA-C ................................... 46 Gambar 19. Struktur MIRA-1, MIRA-2 dan MIRA-3 .....................................

DAFTAR LAMPIRAN commit to user

xiv

47


digilib.uns.ac.id

Halaman Lampiran 1. Perhitungan nilai ∆occupancy ikatan rangkap C-C MIRA-1 .......... 54

commit to user

xv


digilib.uns.ac.id

BAB 1 PENDAHULUAN

A. Latar Belakang Masalah

Protein p53 tumor suppressor berperan dalam pengendalian pertumbuhan sel

sebagai

pembatas

terhadap

adanya

pertumbuhan

sel

menyimpang.

Pertumbuhan sel menyimpang dapat diakibatkan oleh kerusakan DNA, aktivasi onkogen dan hipoksia (Bykov et al., 2002a, 2002b; Wiman, 2010). Apoptosis (bunuh diri sel terprogram) merupakan salah satu upaya untuk pengendalian pertumbuhan sel ketika terjadi kegagalan pada proses perbaikan kerusakan DNA dan kerusakan sel yang lain sebelum pembelahan terjadi pada sel tersebut (Albert et al., 2002). Mutasi pada p53 akan berakibat hilangnya fungsi p53 sebagai penekan tumor (Bykov et al.,2002a, 2002b). Hal tersebut dapat memicu kanker atau cacat lain akibat tidak adanya penghentian pembelahan sel yang disebabkan kerusakan DNA dan kerusakan sel yang lain (Bykov et al., 2002a). Pengembalian fungsi p53 termutasi berpotensi menghentikan pertumbuhan sel kanker sehingga menjadikan p53 target yang cukup penting untuk terapi kanker (Bykov et al., 2002a, 2002b; Lambert et al., 2009; Wiman, 2010). Lazimnya ada enam titik atau hot-spot mutasi yang sering terkait dengan kanker manusia dan pro-onkogenik. Y220C merupakan mutasi yang sering terjadi di β-sandwich dan jauh dari daerah DNA-binding (Joerger et al, 2006). Mutasi pada p53 mengubah satu asam amino pada protein menjadi asam amino lain. Mutasi Y220C merupakan mutasi tirosin menjadi sistein dan merupakan satu dari sekian mutasi onkogen yang terjadi pada p53 (Joerger et al., 2006; Basse et al., 2010). Mutasi Y220C ini menciptakan lekukan pada permukaan protein yang menyebabkan ketidakstabilan protein karena perubahan konformasi protein (Joerger et al., 2006). Pengembalian fungsi p53 termutasi karena perubahan konformasi dilakukan melalui penempelan molekul kecil atau peptida pendek. Fungsi p53 commit to user dapat dikembalikan dengan mengatur konformasi dari mutan p53 sehingga 1


digilib.uns.ac.id 2

menyerupai wild-type p53. Beberapa molekul kecil yang diidentifikasi dapat mengembalikan fungsi p53 termutasi diantaranya PRIMA-1 (p53 reactivation induction of massive apoptosis) (Bykov et al., 2002a, 2002b; Lambert et al., 2009; Wiman, 2010) dan turunan maleimida (MIRA-1 (Mutant p53-dependent Induction of Rapid Apoptosis I), MIRA-2, MIRA-3) (Bykov et al., 2005). Bykov (2005) menunjukkan bahwa MIRA-1 mempunyai kestabilan aktivitas pada mutan SKOV-His273, SKOV-His175 dan HI299-His175 dibandingkan MIRA-2 dan MIRA-3 pada konsentrasi yang cukup tinggi. Interaksi yang terjadi antara p53 dengan MIRA-1 dapat menyebabkan modifikasi pada struktur p53. MIRA-1 dapat mengubah konformasi mutan p53 ke dalam konformasi aktif dengan berikatan secara spesifik pada asam amino tertentu dari DNA dan mempunyai aktivitas antitumor secara in vitro (Bykov et al., 2005). Modifikasi mutan p53 melalui pembetukan adduct tiol pada satu atau beberapa asam amino sistein mutan p53 diperkirakan mampu mengembalikan konformasi dan fungsi p53 mendekati wild-type-nya sehingga dapat menginduksi apoptosis dalam sel yang mengekspresikan mutan p53 (Lambert et al, 2009). Lambert (2009) melaporkan pembentukan adduct tiol antara PRIMA-1 dengan N-acetylcysteine (NAC). Hal tersebut memungkinkan pembentukan adduct tiol yang terjadi pada sistein dalam p53. Pembentukan adduct tiol PRIMA1 dan NAC melalui substitusi nukleofilik pada salah satu gugus hidroksi PRIMA1. Lambert (2009) melaporkan juga bahwa pembentukan adduct lebih mudah melalui konversi PRIMA-1 menjadi MQ (Methylene Quinoclidinone) dimana MQ mempunyai ikatan rangkap C-C yang reaktif. Sehingga pembentukan adduct tiol antara MQ dan NAC diperkirakan melalui addisi nukleofilik. MIRA-3 dapat membentuk adduct tiol dengan NAC. Proses reaktivasi p53 dengan MIRA-3 melibatkan interaksi sistein pada p53. Turunan maleimida juga berinteraksi dengan sistein melalui ikatan rangkap C-C. MQ terdapat atom N dan gugus karbonil yang tarikan elektronnya terpusat pada salah satu atom C pada ikatan rangkap C-C-nya. Ikatan rangkap C-C MIRA-1 mendapatkan tarikan elektron dari dua gugus karbonil yang mengapitnya. Tarikan elektron yang ada cenderung sama besar pada kedua atom C-nya. commit to user


digilib.uns.ac.id 3

B. Perumusan Masalah 1. Identifikasi Masalah MIRA-1 mempunyai aktivitas antitumor yang hampir sama dengan PRIMA-1 secara in vitro. Aktivitas antitumor kedua senyawa ini diyakini melalui reaktivasi p53 termutasi. PRIMA-1 diketahui membentuk adduct dengan gugus tiol dalam proses reaktivasi p53. Konversi PRIMA-1 menjadi MQ diperlukan dalam pembentukan adduct. Gugus hidroksi PRIMA-1 diubah menjadi ikatan rangkap C-C pada MQ. Ikatan rangkap C-C dengan kondisi yang mirip juga terdapat pada MIRA-3 yang merupakan struktur analog MIRA-1, yaitu ikatan rangkap C-C yang terkonjugasi dengan karbonil. Ikatan rangkap C-C yang terdapat pada MIRA-1 maupun MQ sama - sama mendapat tarikan elektron dari karbonil yang mempunyai atom O dengan keelektronegatifan tinggi. MIRA-3 dipercaya dapat membentuk adduct tiol seperti halnya MQ. MIRA-1 dimungkinkan mempunyai aktivitas yang hampir sama dengan MIRA-3. Namun demikian diduga terdapat perbedaan reaktivitas ikatan rangkap C-C. MIRA-1 dengan MIRA-3 mempunyai perbedaan pada bagian alifatiknya. Seperti halnya MIRA-3, MIRA-1 juga mempunyai dua gugus karbonil disebelah kanan dan kiri ikatan rangkap C-C sehingga tarikan elektron terhadap ikatan rangkap C-C simetris, sedangkan MQ mempunyai satu gugus karbonil maka tarikan elektronnya hanya dari satu arah. Perbedaan polaritas ikatan rangkap C-C pada MIRA-1 atau MIRA-3 dengan MQ menunjukkan kebolehjadian pembentukan adduct turunan maleimida lebih kecil dari MQ. Namun demikian MIRA-3 memiliki aktivitas yang cukup tinggi dibandingkan dengan MQ. Gugus tiol merupakan nukleofil lemah. Lemahnya nukleofilitas tiol memerlukan modifikasi pada ikatan rangkap C-C menjadi lebih reaktif sebelum masuknya gugus tiol. Lingkungan disekitar gugus tiol dimungkinkan memberikan pengaruh terhadap polaritas ikatan rangkap C-C. Pada p53 terdapat gugus tiol dengan lingkungan yang berbeda, sehingga memberikan kemungkinan reaksi pembentukan adduct yang berbeda pula. Lingkungan disekitar gugus tiol dapat commit to user


digilib.uns.ac.id 4

berupa suatu lekukan yang cukup tajam, sempit atau luas maupun hanya berupa lekukan yang landai. Reaktivitas suatu ikatan rangkap C-C dilihat melalui kerapatan elektron yang dipengaruhi lingkungan. Kerapatan elektron dapat ditunjukkan melalui metode analisis populasi berbantuan komputer yang dikenal antara lain Mulliken, NBO (Natural Bond Orbital) atau ESP (Electrostatic Potential). Analisis populasi harus dilakukan dengan metode mekanika kuantum mengingat analisis ini melibatkan stuktur elektronik suatu molekul. Metode – metode dari mekanika kuantum mempunyai akurasi dan kecocokan dengan sistem yang berbeda – beda. Akurasi metode mekanika kuantum antara lain ditentukan oleh level teori yang digunakan yaitu: Hartree Fock (HF), Pertubasi Moller-Pleset, Configuration Interaction (CI), atau Coupled Cluster (CC). Perhitungan komputasi yang menggambarkan karakter pengaruh lingkungan juga membutuhkan fungsi basis yang sesuai. Fungsi basis diantaranya fungsi basis minimal, fungsi basis yang membagi elektron valensi, fungsi basis yang menambahkan fungsi polarisasi atau yang menambahkan fungsi difusi. Mengingat tingginya sumber daya yang diperlukan, pemilihan metode yang tepat merupakan syarat utama efisiensi perhitungan.

2. Batasan Masalah 1. Reaktivitas MIRA-1 dalam pembentukan adduct ditunjukkan dengan polarisasi kerapatan elektron pada ikatan rangkap C-C terkonjugasi dengan dua gugus karbonil. 2. Perubahan kerapatan elektron ditinjau dari pengaruh asam amino terdekat dalam lekukan mutasi p53. 3. Struktur interaksi yang digunakan adalah hasil docking dengan MOE kode PDB 2X0W kompleks p53 termutasi (Y220C) dengan MIRA-1 pada posisi ikatan rangkap C-C dekat dengan gugus tiol. 4. Metode analisis populasi menggunakan NBO dengan level teori HF dan fungsi basis 6-31G* commit to user


digilib.uns.ac.id 5

3. Rumusan Masalah 1. Apakah kerapatan elektron ikatan rangkap C-C MIRA-1 dapat menjadi asimetris sehingga terdapat kebolehjadian serangan nukleofil? 2. Apakah ikatan rangkap C-C MIRA-1 dapat terpolarisasi sebagai pengaruh lekukan mutasi sehingga terdapat kebolehjadian pembentukan adduct tiol? 3. Bagaimana bagian alifatik MIRA-1 berpengaruh terhadap kebolehjadian pembentukan adduct tiol? C. Tujuan Penelitian 1. Mengetahui apakah kerapatan elektron ikatan rangkap C-C MIRA-1 dapat menjadi asimetris sehingga terdapat kebolehjadian serangan nukleofil. 2. Mengetahui pengaruh lekukan mutasi terhadap polarisasi ikatan rangkap C-C MIRA-1 sehingga terdapat kebolehjadian pembentukan adduct tiol. 3. Mengetahui pengaruh bagian alifatik MIRA-1 terhadap kebolehjadian pembentukan adduct tiol.

D. Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan mampu memberikan informasi mengenai pengaruh lekukan mutasi Y220C dan bagian alifatik MIRA-1 terhadap kebolehjadian pembentukan adduct tiol dengan menggunakan pendekatan mekanika kuantum.

commit to user


digilib.uns.ac.id

BAB II LANDASAN TEORI

A. Tinjauan Pustaka 1. Mutan Y220C Protein p53 tumor suppressor (penekan tumor) berperan sebagai target terapi (Bykov et al., 2002a, 2002b; Wiman, 2010). Mutasi pada p53 berakibat pada hilangnya fungsi p53 sebagai penekan tumor (Bykov et al., 2002a, 2002b). Protein p53 sebagai target terapi terdapat tiga alasan pertimbangannya. Pertama, p53 berperan penting dalam menentukan nasib sel ketika DNA mengalami kerusakan yakni menentukan sel rusak akan memperbaiki diri atau mengalami apoptosis apabila kerusakan terlalu ekstensif (Wiman, 2010) sehingga p53 yang mengalami mutasi berperan terhadap perkembangan tumor, progesi dan resistensi kemoterapi. Kedua, sebagian besar perubahan genetik dalam tumor baik delesi atau mutasi pada lebih dari 50 % kanker manusia ternyata p53 mengalami mutasi (Joerger et al., 2006). Ketiga, kehilangan p53 mengakibatkan penurunan apoptosis dan menurunkan sensitivitas terhadap radioterapi dan kemoterapi (Wiman, 2010). Mutasi yang terjadi pada p53 umumnya terdapat enam titik atau hot-spots yang teridentifikasi terkait kanker manusia yaitu R175H, G245S, R248Q, R249S, R273H dan R282W (Joerger and Fersht., 2007). Selain itu terdapat juga mutasi pada β-sandwich yaitu V143A, L145Q, P151S, V157F, I195T, Y220C, I232T, I255F dan F270C (Bullock, 2000; Joerger et al., 2006). Mutasi pada Y220C merupakan mutasi yang sering terjadi di β-sandwich sekitar 75000 kasus kanker baru di dunia (Joerger et al., 2006; Basse et al., 2010). Mutasinya terletak jauh dari DNA-binding yang dimulai dari loop yang terhubung dengan β-strands S7 dan S8 ditunjukkan Gambar 1.

commit to user 6


digilib.uns.ac.id 7

Gambar 1. Struktur p53 termutasi yang menunjukkan letak atau posisi Y220C. Mutan Y220C dapat dihilangkan sifat onkogen dengan menurunkan stabilitasnya sehingga bisa didenaturasi pada temperatur tubuh akibatnya tidak lagi memicu kanker (Boeckler et al., 2008). Penempelan molekul selektif dapat mengembalikan konformasi dan fungsi mutan p53 mendekati wild-type (Joerger dan Fersht., 2006; Boeckler, 2008; Basse et al., 2010)). Molekul selektif salah satunya terdapat PhiKan083 (turunan karbazol) melalui docking pada lekukan mutasi (cavity) yang diciptakan oleh Y220C dengan afinitas yang baik dan menstabilkan mutan (Boeckler et al., 2008) yang ditunjukan Gambar 2.

Gambar 2. PhiKan083 (surface warna hijau) berada pada lekukan mutasi (cavity) commit to user mutan Y220C.


digilib.uns.ac.id 8

Selain itu terdapat juga fragmen benzotiazol aromatik pada sistem cincin yang terdapat dalam lekukan mutasi (kode ID PDB 2X0W) pada posisi tegak yang ditunjukkan Gambar 3. Itu diposisikan demikian, nitrogen tiazol berada pada jarak ikatan hidrogen dengan gugus hidroksi Thr150 (threonin 150) dan gugus metoksinya yang mengapit ikatan rangkap C-C berada dekat dengan Cys220 (sistein 220) (Basse et al., 2010)

Gambar 3. Posisi fragmen bezodiazol (warna merah muda) di lekukan mutasi mutan Y220C Kedua molekul selektif pada penelitian tersebut berupaya untuk membuktikan bahwa sisi mutasi mutan Y220C merupakan target yang spesifik untuk desain obat kanker.

2. Aktivitas MIRA-1 NCI (Natural Cancer Institutes) melaporkan penemuan dua molekul yang dapat mengaktifkan kembali mutan p53 yaitu PRIMA-1 (p53 Reactivation and Induction of Massive Apoptosis) dan MIRA-1 (Mutant p53-Dependent Induction of Rapid Apoptosis) (Bykov et al., 2005). Molekul seperti PRIMA-1 dan MIRA-1 atau produk hidrolisisnya dapat bereaksi secara kovalen dengan p53 melalui modifikasi asam amino sistein (Lambert et al., 2009). MIRA-1 mempunyai aktivitas antitumor lebih baik dibandingkan PRIMA-1 (Bykov et al., 2005). MIRA-1

merupakan

salah

satu

turunan

maleimida

yang

dapat

mengaktifkan kembali mutan p53 in vitro dan mengembalikan transkripsitansaktivasi dengan mutan p53 pada sel hidup (Bykov et al., 2005). MIRA-1 untuk pengembangan obat antikanker yang menargetkan mutan p53. Bykov commit to user (2005) dalam penelitiannya melaporkan MIRA-1 dapat menekan pertumbuhan


digilib.uns.ac.id 9

saos-2-His-273 dan mengekspresikan sel mutan p53. Beberapa turunan maleimida strukturnya dapat ditunjukkan pada Gambar 4. Struktur turunan maleimida yang aktif dan mempunyai aktivitas hampir sama dengan MIRA-1 yaitu MIRA-2 dan MIRA-3 ditunjukkan pada Gambar 4A. Selain itu terdapat juga struktur analog MIRA-1 yang tidak aktif yaitu MIRA-A, MIRA-B dan MIRA-C ditunjukkan pada Gambar 4B. CH3

O

H3C

O

O

OH

O

CH2

O

H2 C N

CH2 N O

O

O

A.

CH2

N

O

MIRA-1

O

MIRA-2

MIRA-3 Cl

HO O CH2

O O

N

O C

O

N

C N

O

O

O

B. MIRA-A

MIRA-B

MIRA-C

Gambar 4. Struktur turunan maleimida A. Turunan aktif maleimida B. Turunan tidak aktif maleimida. Hasil pengujian terhadap SKOV-His273, SKOV-His175 dan HI299-His175 pada konsentrasi yang tinggi memberikan kestabilan aktivitas dibandingkan MIRA-2 dan MIRA-3. Kedua turunan maleimida tersebut mempunyai aktivitasnya pada konsentrasi yang rendah. MIRA-3 pada konsentrasi yang tinggi dapat memberikan efek toksik (Bykov et al., 2005). Lambert (2009) melaporkan pembentukan adduct lebih mudah melalui konversi PRIMA-1 menjadi MQ dimana MQ mempunyai iktan rangkap yang reaktif dan terkonjugasi dengan gugus karbonil sehingga pembentukan adduct tiol commit to user antara MQ dan NAC diperkirakan melalui addisi nukleofilik. MIRA-3


digilib.uns.ac.id 10

mempunyai ikatan rangkap C-C yang relatif seperti MQ yang dapat ditunjukkan Gambar 5 sehingga terdapat kecenderungan interaksi dengan tiol seperti pada MQ yaitu melalui reaksi addisi nukleofilik. CH3 O

O

O O N

CH2

H2C N O

MIRA-3

MQ

Gambar 5. Struktur MIRA-3 dan MQ (produk dekomposisi PRIMA-1). MIRA-1 yang merupakan struktur analog MIRA-3 kecenderungan interaksi dengan tiol hampir sama. MQ produk dekomposisi dari PRIMA-1 merupakan akseptor Michael (Lambert et al., 2009). Begitu pula MIRA-1 disebut akseptor Michael yang berpotensi untuk modifikasi sistein dalam protein (Bykov et al., 2005a; Wiman, 2010). Beberapa molekul penstabil mutan p53 yang memiliki aktivitas akseptor Micahel menunjukkan bahwa reaktivasi mutan p53 dengan senyawa tersebut melibatkan redoks yang umumnya mengontrol aktivitas p53 wild-type (Wiman, 2010).

3. Reaksi Enzimatis Reaksi dalam kehidupan berlangsung sangat lambat tanpa katalis. Enzim dapat meningkatkan kecepatan reaksi. Bagian utama dari enzim adalah protein, tetapi tidak semua protein adalah enzim. Protein terdiri dari satu atau lebih rantai polipeptida yang masing - masing terdiri beberapa asam amino. Sama seperti protein, enzim tersusun dari rantai lurus asam amino yang kemudian mengalami proses pelipatan membentuk suatu struktur tiga dimensi. Aktivitas dari enzim akan sangat dipengaruhi struktur tiga dimensi yang dimilikinya. Ukuran enzim pada umumya jauh lebih besar daripada substrat yang akan diikatnya. Hanya sebagian kecil dari struktur tigacommit dimensi to enzim user yang terlibat secara langsung



dalam reaksi katalisis yang terjadi. Daerah inilah yang dikenal sebagai sisi aktif enzim dan merupakan tempat terjadinya ikatan antara enzim dengan substrat. Sisi aktif ini memiliki ukuran yang berkisar hanya tiga sampai empat asam amino. Jauh lebih kecil dibandingkan ukuran enzim secara keseluruhan. Komposisi dan ukuran protein bergantung pada jenis dan jumlah sub unit asam aminonya (Copeland, 2000). Jenis ikatan yang terjadi antara enzim dan substrat dapat berupa kovalen, ionik, hidrogen dan van der Waals. Ikatan hidrogen dan van der Waals berperan dalam orientasi struktural komplek enzim-substrat (Copeland, 2000). Ukuran polaritas dari suatu ikatan kovalen dari suatu atom dapat dipengaruhi oleh jarak antar inti atom. Interaksi dari satu titik dari protein tidak hanya mempengaruhi daerah tersebut saja, tetapi akan mempengaruhi pada titik yang lain. Protein dibangun oleh sekitar 20 macam asam amino melalui ikatan peptida. Asam amino mempunyai muatan amino dan muatan karbonil pada ujung – ujungnya yang dinetralkan melalui pembentukan ikatan peptida. Dalam sistem protein penyusunnya disebut asam amino, dimana yang membedakan antara asam amino yang satu dengan asam amino yang lain berupa struktur rantai samping yang berbeda pada asam amino – asam amino tersebut sehingga berpengaruh pada reaktivitas kimia. Beberapa asam amino seperti valin, leusin, alanin dan lain – lain terdiri dari hidrokarbon sehingga bersifat non polar, diharapkan mampu menarik molekul yang polar. Asam amino hidrofobik ini

membantu menstabilkan

pengikatan molekul substrat non polar ke dalam enzim. Ikatan hidrogen ini dapat menstabilkan struktur protein. Ukuran dan bentuk dari rantai samping asam amino menentukan tipe interaksi dengan gugus aktif tertentu. (Copeland, 2000). Reaksi enzimatis melibatkan suatu proses pengikatan substrat ke dalam sisi aktif enzim. Terdapat dua mekanisme yang diusulkan untuk menjelaskan proses pengikatan substrat tersebut yaitu mekanisme Lock & Key yang dikemukakan oleh Emil Fischer pada tahun 1984, dan mekanisme Induced-Fit. Mekanisme yang terakhir dikemukakan pada tahun 1958 oleh Daniel Koshland. Pada mekanisme Lock & Key, enzim dan substrat dapat dianggap sebagai commit to ini user suatu gembok dan kuncinya dimana kunci hanya akan cocok dengan gembok



tertentu. Jadi enzim dan substrat memiliki struktur geometrik tertentu yang saling komplemen satu sama lainnya. Model ini mampu menjelaskan sifat spesifik dari suatu enzim namun tidak dapat menjelaskan tingkat kestabilan yang mampu dicapai oleh kompleks teraktifkan enzim-substrat. Mekanisme Induced-Fit merupakan modifikasi dari mekanisme Lock & Key. Dalam mekanisme ikut dipertimbangkan struktur enzim yang relatif fleksibel dimana bagian sisi aktif enzim dapat terus mengalami perubahan ketika mulai terjadi interaksi antara enzim dengan substrat. Jadi ketika substrat mulai mendekat, sisi aktif enzim mulai menyesuaikan diri dengan geometri dari substrat sehingga pada akhirnya kedua geometri molekul yang terlibat saling komplemen. Mekanisme ini dapat dilihat pada Gambar 6.

Gambar 6. Mekanisme induced-fit pada enzim. Gambar 6 yang relevan dengan penelitian ini dibatasi hingga pembentukan kompleks enzim-substrat. Hal tersebut dapat menunjukkan bahwa sisi aktif enzim harus dibantu oleh substrat sehingga membetuk kompleks.

4. Gaya Antar Molekul Gaya antar molekul merupakan gaya suatu molekul dengan molekul lain yang sejenis atau berbeda dapat mengadakan interaksi tolak menolak atau tarik menarik. Gaya antar molekul dapat terjadi antara molekul non polar dengan molekul non polar, molekul polar dengan molekul non polar dan molekul polar dengan molekul polar. Antaraksi berbagai dipol – dipol (tarikan atau tolakan) secara kolektif disebut gaya van der Waals (Pudjaatmaka, 1999). commit to user



Molekul non polar saling ditarik oleh antaraksi dipol-dipol yang lemah yang disebut gaya london. Gaya london timbul dari dipol yang diinduksi dalam satu molekul oleh molekul yang lain. Gaya london dapat terjadi bila pasangan elektron suatu molekul, baik yang bebas maupun yang terikat selalu bergerak mengelilingi inti. Elektron yang bergerak dapat mengimbas atau menginduksi sesaat pada tetangga sehingga molekul tetangga menjadi polar terinduksi sesaat. Molekul ini pula dapat menginduksi molekul tetangga lainnya sehingga terbentuk molekul – molekul dipol sesaat (Effendy, 2005). Molekul polar berada pada jarak tertentu dengan molekul non polar maka molekul polar dapat menginduksi molekul non polar sehingga molekul non polar tersebut menjadi molekul polar induksian. Setelah proses induksian berlangsung antara kedua molekul tersebut terjadi gaya tarik elektrostatik yang disebut gaya dipol – dipol induksi (Effendy, 2005). Elektrostatik merupakan studi interaksi antara muatan benda yang penting untuk memahami interaksi dari elektron yang digambarkan dengan kerapatan elektron. Pendukung utama dari elektrostatik adalah hukum Coulomb yang merupakan deskripsi matematis tentang bagaimana muatan tolak menolak dan tarik menarik. Tarikan dan tolakan terutama timbul dari antaraksi dipol – dipol, tarik menarik antara muatan yang berlainan tanda dan tolak menolak antara muatan yang sama tanda. Persamaan hukum Coulomb untuk kekuatan interaksi antara dua partikel dapat ditunjukkan pada persamaan 1.

.......................................persamaan 1. Keterangan : F

= kekuatan interaksi antar dua partikel = muatan partikel pertama = muatan partikel kedua = jarak antar dua buah partikel

Persamaan tersebut menunjukkan kekuatan interaksi antara dua partikel atau molekul berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antaranya (Young, 2001). Jarak berpengaruh penting terhadap kekuatan gaya antarmolekul. Jarak antar atom commit to user berdasarkan pada jari – jari van der Waals dapat diilustrasikan pada Gambar 7.



A

H -----------------B

Gambar 7. Model untuk ilustrasi jarak antar atom. Apabila jarak A-H lebih pendek daripada jarak H-B maka ikatan A-H merupakan ikatan kovalen. Ikatan H-B bila jaraknya sama atau lebih besar dari jumlah jari – jari van der Waals atom H dan atom B maka jarak H-B dapat menunjukkan adanya interaksi tanpa ikatan (nonbonded interaction). Tabel 1 menampilkan jari – jari van der Waals beberapa unsur. Tabel 1. Jari – jari van der Waals beberpa unsur. Unsur

rvdw (Å)

Unsur

rvdw (Å)

Unsur

rvdw (Å)

H

1,20

O

1,52

Cl

1,90

C

1,70

S

1,80

Br

2,00

N

1,55

F

1,60

I

2,12

Pada interaksi O dengan O akan memiliki jari – jari van der Waals sebesar 3,04 Å maka bila jarak pada sistem antarmolekul lebih besar daripada jari – jari van der Waals tersebut menunjukkan terdapat interaksi tanpa ikatan berupa dipol – dipol karena sifat dari atom O yang bersifat polar. Namun, semakin jauh jarak antarmolekul tentunya akan mempunyai kekuatan interaksi yang semakin lemah sebab interaksi antar elektronnya semakin sedikit maka polarisasi semakin lemah dan semakin lemah pula kemampuan untuk membentuk ikatan (Effendy, 2005).

5. Reaksi Addisi Nukleofilik Karbon Tak Jenuh-α,β Reaksi addisi nukleofilik merupakan reaksi pemutusan ikatan rangkap C-C oleh nukleofilik pada rantai karbon tak jenuh (unsaturated). Ikatan rangkap C-C karbon – karbon yang terdapat pada alkena bersifat non polar. Namun, suatu ikatan rangkap C-C karbon – karbon yang berkonjugasi dengan suatu gugus karbonil akan bersifat polar. Hal tersebut disebabkan adanya gugus karbonil yang bersifat polar mempunyai ikatan π berupa ikatan yang mudah terpolarisasi dan reaktif (Pudjaatmaka, 1999).

commit to user



Reaksi addisi nukleofilik pada ikatan rangkap C-C yang terkonjugasi dengan gugus karbonil pada umunya berlangsung makanisme dari Michael reaction atau Michael addition. Nukleofilik dari mekanisme Michael reaction akan menyerang pada karbon yang bermuatan parsial positif dimana sistem C=CC=O ini parsial positif akan terdapat pada karbon-β dan karbon karbonil. Penyerang nukleofil pada C=C mekanismenya melalui addisi 1,4 sedangkan penyerangan nukleofil pada C=O melalui addisi 1,2. Halangan sterik disekitar ikatan rangkap C-C atau sekitar gugus karbonil dapat menyebabkan serangan tertuju pada posisi yang tak terintangi (Laue and Plagens, 2005; Pudjaatmaka, 1999). Sistem terkonjugasi seperti keton tak jenuh-α,β addisi nukleofilik yang berlangsung berupa addisi 1,4 dimana tipe addisi ini menyerupai addisi 1,4 diena terkonjugasi. Reaksi addisi 1,4 ini berlangsung melalui dua tahapan reaksi, yang pertama yaitu serangan nukleofil pada ikatan rangkap C-C karbon-α, β yang akan menghasilkan karbanion melalui pemutusan ikatan rangkap C-C. Kemudian nukleofil akan membawa pasangan elektronnya menuju atom karbon-β yang terlibat dalam ikatan rangkap C-C, memaksa elektron π pada ikatan rangkap C-C tersebut menuju atom karbon lainnya membentuk karbanion yang dapat beresonansi. Karbanion dapat beresonansi dengan gugus karbonil membentuk anion pada atom oksigen. Tahap kedua adalah serangan substituen bermuatan positif pada spesi yang bermuatan negatif (March, 1968). Reaksi Michael addition ini berlangsung melalui rearrangement karbanion pada ikatan rangkap C-C yang terkonjugasi dengan karbonil dan mengarahkan tautomerisasi pada enol menjadi keto sebagai produk akhir seperti ditunjukkan pada Gambar 8 (Laue & Plagens, 2005).

commit to user



Y

Y

C

C

C

O

C

Y

C

C

O

C

C

Y

H

C

C

C

O

C

O

HY Y

C

C

C

OH

suatu enol

keto

Gambar 8. Mekanisme reaksi adisi nukeofilik 1,4 dengan serangan terdapat pada ikatan rangkap C-C. 6. Docking Docking merupakan sebuah studi untuk memprediksikan struktur tiga dimensi suatu kompleks yang terbentuk antara suatu ligan dengan makromolekul yaitu protein. Docking mampu memprediksikan kompleks protein-ligan dalam waktu yang cepat dan biaya yang relatif murah. Teknik ini menempatkan ligan secara sistematis pada site aktif dari mekromolekul. Penempelan suatu ligan pada protein atau makromolekul (reseptor) dapat mempengaruhi struktur tiga dimensi dari protein membentuk konformasi tertentu, memberikan posisi yang menunjukkan kebolehjadian bagi protein target untuk berinteraksi dengan ligan yang mempunyai jarak yang relatif dekat (Manikrao et al., 2011). MOE (Molecular Operating Environment) merupakan salah satu aplikasi yang dikembangkan Chemical Computing Group. Aplikasi ini bersifat userfriendly sehingga cocok digunakan untuk pembelajaran.

7. Quantum Mechanics (QM) Quantum Mechanic (QM) atau mekanika kuantum merupakan metode matematik yang mempunyai ketelitian tinggi untuk memprediksi perilaku elektron yang digunakan untuk menyelesaikan fungsi gelombang dengan menggunakan persamaan Schrodinger. Mekanika kuantum diperlukan untuk mempelajari commit to user partikel-partikel mikroskopis seperti elektron, inti atom, atom dan molekul



dimana mekanika klasik tidak mampu untuk menjelaskan kelakuan-kelakuan partikel tersebut (menguraikan sifat-sifat dasar partikel yang penting karena elektron terlibat dalam perubahan kimia). Dalam kimia kuantum, sistem digambarkan

sebagai

fungsi

gelombang

yang

dapat

diperoleh

dengan

menyelesaikan persamaan Schrodinger. Persamaan ini berkait dengan sistem dalam keadaan stasioner dan energi dinyatakan dalam operator Hamiltonian. Operator Hamiltonian dapat dilihat sebagai aturan untuk mendapatkan energi terasosiasi dengan sebuah fungsi gelombang yang menggambarkan posisi dari inti atom dan elektron dalam sistem. Teori QM menggunakan operator Hamiltonian dan fungsi gelombang untuk menghitung energi sistem. Fungsi gelombang berupa fungsi posisi elektron dan nuclear ini dapat digunakan untuk mendeskripsikan probabilitas elektron pada lokasi tertentu, tetapi tidak dapat memprediksikan secara tepat letak dari elektron tersebut. Muatan atom untuk QM diperoleh dengan skema analisis populasi (Young, 2001). Metode ini merupakan metode yang paling banyak digunakan dalam permodelan molekul (Leach, 2001). Melalui model Lewis mampu memprediksi pola ikatan kimia dan memberikan indikasi dari kekuatan ikatan (ikatan tunggal, ikatan rangkap C-C). Perhitungan ikatan kovalen yang tanpa pemutusan ikatan dengan Quantum Mechanic (QM) dapat dilakukan dengan menggunakan salah satu metode QM standar (Das, 2002). Akurasi dari perhitungan QM bergantung pada ukuran fungsi basis yang digunakan. Metode QM dapat memberikan penjelasan yang komprehensif untuk fenomena kimia seperti sifat valensi dan ikatan seperti reaktivitas kimia sehingga dapat memberikan penjelasan secara empirik dari kimia. QM (ab initio) pada tingkat dasar dapat memecahkan persamaan Schrodinger untuk sistem molekul yang mempelajari elektron (Young, 2001). Energi dari keadaan dasar, keadaan tereksitasi dan optimasi geometri dapat dihitung dengan metode QM, tetapi dibatasi pada ukuran sistem (Das, 2002). Metode QM juga digunakan untuk pembelajaran secara detail terhadap struktur dan reaktivitas dari berbagai sistem. QM untuk mengetahui sifat-sifat elektronik yang terkait dengan distribusi elektron seperti momen dipol dan user Leach, 2001). Keuntungan dari densitas elektron. (Dolenc and commit Koller, to 2006;



sistem dengan metode QM adalah interaksi elektrostatik dapat dideskripsikan secara realistis (Thiel, 2009). Selain itu perubahan struktur elektronik yang melibatkan interaksi pertukaran muatan dan pengaruh polarisasi tidak diabaikan (Liu et al., 2001). Kelemahan metode ini adalah komputasinya cukup mahal untuk pembelajaran sistem yang cukup besar, seperti biomolekul (Dolenc and Koller, 2006).

8. Natural Bond Orbital (NBO) Muatan atom maupun distribusi elektron tidak dapat terlihat dengan QM dan tidak dapat secara langsung dengan perhitungan QM ataupun eksperimen. Terdapat beberapa metode yang berbeda untuk menghitung muatan atom ataupun distribusi elektron dari sistem molekul. Salah satunya adalah NBO yang merupakan teknik analisis yang dapat mendeskripsikan sebuah analisis fungsi gelombang elektronik. NBO menggunakan orbital alami yang merupakan fungsi eigen yang mengurangi orde pertama dari densitas matrik berupa lokalisasi. Prinsip lokalisasi merujuk pada orbital yang menunjukkan pusat atom dan pasangan atom yang menghasilkan muatan dari atom. Analisis dengan NBO dikelompokkan sebagai orbital ikatan, anti ikatan, core dan Rydberg (Young, 2001; Glendening, 2011). Sehingga dengan NBO dapat untuk memahami konsep – konsep ikatan seperti muatan atom, struktur lewis, tipe ikatan, transfer muatan, dan lain – lain. Analisis NBO dalam menunjukkan transfer muatan intramolekul dengan fungsi basis yang menunjukkan akurasi yang tinggi maka nilai - nilai dari muatan inti dan valensi makin negatif yang menunjukkan stabilitas dari struktur molekul (Monajjemi, 2010). Analisis

dengan

NBO

banyak

digunakan

karena

hasilnya

mengklasifikasikan jenis orbital, yang menunjukkan bahwa interaksi orbital lebih berperan penting dalam memutuskan delokalisasi elektron dibandingkan keelektronegatifan. NBO menampilkan occupancy yang menunjukkan berapa banyak elektron yang terdapat dalam tiap atom, energi orbital dan pola kualitatif dari interaksi delokalisasi dihubungkan dengan tiap – tiap atom dan terdapat pula commit to user



natural charge sebagai muatan parsial dari masing – masing atom. Metode NBO umunya menggunakan level teori HF (Hartree-Fock) (Glendening, 2011).

9. Metode komputasi Metode

komputasi perlu dilakukan karena metode eksperimen belum

mampu memberikan informasi yang mendalam tentang interaksi antarmolekul dalam skala molekular. Metode eksperimen lebih menjelaskan tentang fenomena yang terjadi dalam sistem makroskopis. Saat ini metode komputasi perhitungan ab initio telah banyak

digunakan untuk menentukan potensial interaksi

antarmolekul secara akurat. Interaksi antarmolekul tergantung pada geometri masing-masing molekul. Ab initio mengacu pada perhitungan mekanika kuantum melalui beberapa pendekatan matematis, seperti penggunaan persamaan yang disederhanakan (Born-Oppenheimer

approximation)

atau

pendekatan

untuk

penyelesaian

persamaan differensial. Ab initio merupakan metode orbital molekul yang paling akurat dibandingkan semi empirik dan molekul mekanik. Metode ini dapat memberikan prediksi kuantitatif yang akurat untuk berbagai sistem molekular. Namun, membutuhkan sumber daya komputer yang cukup besar (Dorsett and White, 2000). Tipe yang paling terkenal dari metoda ab initio adalah perhitungan Hartree-Fock (HF) dengan metode pendekatan medan pusat (central field approximation). Ini berarti bahwa tolakan Coulombik antar elektron tidak secara spesifik dimasukkan dalam perhitungan, tetapi efek total interaksi korelasinya dimasukkan dalam perhitungan sebagai suatu besaran konstant. Dalam teori HF, probabilitas untuk menemukan elektron di suatu daerah dalam atom didefinisikan sebagai jarak dari inti bukan jarak terhadap elektron lainnya (Young, 2001).

10. Fungsi Basis Fungsi basis dalam ilmu kimia adalah kumpulan fungsi matematika yang digunakan untuk menyusun gugus orbit suatu molekul. Kumpulan fungsi-fungsi matematika yang ada disusun dalam kombinasi linier dengan menyertakan nilai commit to userumumnya adalah gugus - gugus koefisien di dalamnya. Fungsi yang digunakan



orbit atom penyusun molekul tersebut. Dalam kimia komputasi, perhitungan kimia kuantum umumnya dilakukan dalam satu set basis perhitungan yang terdiri atas fungsi gelombang yang ada disusun secara linier (Young, 2001). Fungsi basis

yang makin besar menunjukkan peningkatan keakurasian

dalam

memperkirakan orbital dengan menerapkan pembatasan lokasi elektron dalam ruang. Standar fungsi basis menggunakan kombinasi linier dari fungsi gaussian (Rauk, 2001). Fungsi basis Split valence merupakan kombinasi dari himpunan fungsi basis minimal dan himpunan fungsi basis diperluas. Terdapat beberapa fungsi basis untuk masing – masing orbital atomik pada elektron kulit valensi tetapi hanya satu fungsi basis untuk menggambarkan orbital atomik pada kulit dalam. Fungsi basis 6-31G merupakan fungsi basis yang sangat populer untuk perhitungan pada molekul organik. 6-31G mendeskripsikan adanya sebuah contracted Gaussian yang terdiri dari 6 fungsi Gaussian primitif untuk orbital atom kulit dalam, sebuah contracted Gaussian yang terdiri dari 3 Gaussian primitif untuk valensi kulit dalam dan sebuah Gaussian primitif untuk valensi kulit luar (Leach, 2001; Rauk, 2001; Young,2001). Simbol „*‟ menunjukkan adanya penambahan fungsi polarisasi. Hal tersebut berarti adanya penambahan ke dalam elektron valensi atau penambahan fungsi p untuk atom H dan He untuk sistem dimana hidrogen berperan sebagai atom penghubung atau fungsi d untuk atom besar. Fungsi basis 6-31G(d) atau 631G* merupakan fungsi polarisasi dari fungsi basis 6-31G. Fungsi polarisasi dapat ditambahan pada fungsi basis untuk mendeskripsikan pemindahan yang tidak sama untuk muatan yang jauh dari inti atom sehingga dapat meningkatkan deskripsi dari ikatan kimia. Fungsi polarisasi ini digunakan karena dapat memberikan hasil dengan akurasi lebih baik (Young, 2001).

B. Kerangka Pemikiran Adisi nukleofilik pada ikatan rangkap C-C yang terkonjugasi dengan gugus karbonil umumnya yang diserang pada karbon-β. Hal tersebut karena commit to user karbon–β mempunyai muatan yang sangat parsial positif yang berarti kerapatan



elektronnya sangat rendah. Kerangka maleimida pada MIRA-1 memposisikan ikatan rangkap C-C diapit oleh dua karbonil. Jika tarikan elektron dari kedua karbonil terpusat pada ikatan rangkap C-C MIRA-1 dengan kekuatan yang sama maka

kerapatan

elektronnya

menjadi

simetris.

Tarikan

yang

simetris

menyebabkan sulit menentukan posisi karbon mana sebagai karbon-β. Ikatan rangkap C-C yang mempunyai kerapatan elektron yang sangat tinggi menyebabkan serangan nukelofil sulit. Sehingga diperlukan faktor yang dapat menurunkan kerapatan elektron dari ikatan rangkap C-C. Nukleofil umumnya menyerang pada karbon yang mempunyai kerapatan elektron rendah. Kerapatan elektron rendah dapat diperoleh dengan adanya pengaruh dari luar atau dari nukleofil itu sendiri. Tiol yang merupakan nukleofil lemah untuk mempengaruhi polarisasi ikatan rangkap C-C harus ada kombinasi dengan tiol mendekat pada ikatan rangkap C-C dan pengaruh dari luar yang memberikan tarikan elektron lebih kuat pada salah satu sisi karbon. Kemudian elektron ikatan rangkap C-C dapat tertarik ke salah satu sisi karbon dan nukleofil masuk melalui sisi karbon lain. Tarikan elektron yang lebih kuat pada salah satu sisi ikatan rangkap C-C akan memberikan kerapatan elektron asimetris. Pengaruh dari luar dapat diperoleh dari lekukan mutasi karena letak MIRA-1 yang terdapat di dalam lekukan. Lekukan terdiri dari asam amino – asam amino yang mempunyai gugus donor ataupun akseptor elektron. Gugus akseptor sebagai penarik elektron jika posisinya lebih dekat pada salah satu ikatan rangkap C-C dapat memberikan kekuatan tambahan tarikan elektron ke atom karbon tersebut. Sehingga karbon itu kerapatannya lebih besar dibandingkan karbon lain dalam ikatan rangkap C-C. Lekukan mutasi menyelubungi MIRA-1 dari bagian maleimida dan bagian alifatik. Maka pengaruh dari luar dapat pula berpengaruh pada alifatik kemudian secara tidak langsung alifatik tersebut dapat berpengaruh terhadap kerapatan elektron dari ikatan rangkap C-C. Kerapatan elektron hanya dapat dilihat melalui analisis populasi. Perhitungan yang melibatkan kerapatan elektron harus menggunakan metode mekanika kuantum. Mengingat perubahan kerapatan elektron relatif kecil pada commit to user perhitungan yang relatif akurat. senyawa dengan ikatan kovalen maka dibutuhkan



Minimal level yang memenuhi itu adalah HF. Perubahan akibat lingkungan yang berarti ada tarikan, yang dapat mengakomodir tarikan tersebut adalah fungsi basis yang melibatkan polarisasi. Senyawa organik yang melibatkan arom C, N dan O sudah cukup akurat dengan menggunakan fungsi basis split 6-31.

C. Hipotesis 1. Kerapatan elektron ikatan rangkap C-C MIRA-1 dapat dibuat asimetris dengan adanya kekuatan tarikan elektron yang berbeda pada kedua sisi atom karbon ikatan rangkap C-C sehingga dapat terjadi kemungkinan serangan nukleofil. 2. Lekukan mutasi yang terdiri dari asam amino – asam amino yang mempunyai gugus penarik elektron dapat memberikan pengaruh pada terpolarisasinya ikatan rangkap C-C MIRA-1. 3. Bagian alifatik berpengaruh terhadap kemungkinan pembentukan adduct tiol dengan adanya gugus dari asam amino yang dekat dengan bagian alifatik. Hal tersebut dapat memberikan pengaruh pada kerapatan elektron dan reaktivitas ikatan rangkap C-C.

commit to user


digilib.uns.ac.id

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

A. Metode Penelitian Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimental laboratoris.

B. Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilakukan di Laboratorium Kimia Dasar bagian Komputasi Kimia jurusan Kimia FMIPA UNS selama 6 bulan mulai bulan Oktober 2011 sampai Maret 2012.

C. Alat dan Bahan yang Dibutuhkan 1. Alat Seperangkat komputer dengan spesifikasi : CPU dengan processor AMD Phenom (tm) II X 6 1055 T processor, RAM 8 GB dan Hardisk 2 X 500 GB. Software yang digunakan, yaitu: Gaussian 03 (Frisch et al., 2003), CHIMERA (Pattersen et al., 2004), molden (Schaftenaar and Noordik, 2000) dan VMD (Humphrey et al., 1996).

2. Bahan Struktur hasil docking MOE (Molecular Operating Environment) kode PDB 2X0W (Basse et al., 2010) yang diperoleh dari perkembangan desain obat rasional dengan menstabilkan p53 : menyelidiki permukaan mutan onkogen Y220C yaitu kompleks p53 termutasi (Y220C) dengan ligan MIRA-1 (MIRA1220.pdb)

D. Prosedur Penelitian 1. Kompleks Protein-Ligan a. Perbentukan Konfigurasi commit to Operating user Hasil docking MOE (Molecular Environment) kode PDB 23



2X0W sebagai p53 termutasi pada Y220C dengan MIRA-1 sehingga diperoleh kompleks p53-MIRA-1 pada daerah mutan Y220C (unpublished result). Struktur tersimpan dalam MR1-220 arsip pdb (MR1-220.pdb). Perhitungan sistem dengan kompleks utuh memberikan masalah konvergensi. Hal tersebut kemudian dilakukan pemotongan ukuran kompleks dengan asam amino yang berada disekitar MIRA-1 (dalam lekukan mutasi) yaitu sekitar 20 jumlah asam amino. Itu pun dalam perhitungan memberikan masalah konvergensi. Kemudian dilakukan pembentukan konfigurasi – konfigurasi dengan penambahan asam amino – asam amino secara parsial yang atomnya mempunyai jarak yang relatif dekat dengan atom di MIRA-1. Jarak antar atomnya

diperoleh

dengan

menggunakan

CHIMERA.

Pembentukan

konfigurasi dimulai dari MIRA-1 saja tanpa lingkungan (asam amino) dari MR1-220 arsip pdb kemudian dilanjutkan asam amino pertama yaitu asam amino sistein yang diambil dari MR1-220 arsip pdb sebagai konfigurasi ke-1 dan seterusnya. Asam amino yang diambil dari MR1-220 arsip pdb (MR1220.pdb) melalui pemutusan ikatan peptida, pada ujungnya terdapat ujung gugus karbonil (C=O) atau ujung N-H. Ujung – ujung tersebut kemudian ditambahkan oleh atom atau gugus yang sesuai dengan struktur standar asam amino dengan gedit dan disimpan kembali sebagai arsip pdb. Tiap konfigurasi disimpan dalam arsip pdb dan dapat divisualisasi dengan CHIMERA. b. Persiapan Perhitungan Arsip pdb masing – masing konfigurasi dikonversi menjadi arsip com dengan VMD (Visual Molecular Dynamic) untuk dilakukan eksekusi perhitungan. Arsip com tiap konfigurasi dibuka dengan gedit untuk mengubah atom type menjadi atom tunggal dan disimpan kembali sebagai arsip com. Kemudian arsip com tersebut yang digunakan dalam eksekusi perhitungan.

2. Perhitungan Analisis Populasi a. Optimasi Geometri MIRA-1 yang diambil dari MR1-220 arsip pdb dan sudah diubah menjadi to user arsip com dihitung optimasi commit geometri dan analisis populasi dengan NBO.



Optimasi geometri dilakukan dengan Gaussian 03 menggunakan level teori HF (Hatree Fock) dan fungsi basis 6-31G*. Hasil optimasi geometri tersimpan sebagai arsip log yang dapat divisualisasi melalui CHIMERA dengan mengubahnya ke dalam arsip pdb melalui molden dan data NBO-nya dapat ditunjukkan melalui gedit. b. Single Point MIRA-1 yang diambil dari MR1-220 arsip pdb (MR1-220.pdb) juga dihitung single point NBO-nya dengan Gaussian 03. Single point dilakukan dengan level teori dan fungsi basis yang sama dengan yang dilakukan pada optimasi geometri. Hasilnya tersimpan dalam arsip log sebagai konfigurasi ke0. Kemudian dilanjutkan perhitungan single point NBO untuk konfigurasi selanjutnya yaitu konfigurasi selanjutnya tergantung jumlah asam amino yang diambil sebagai konfigurasi. Hasilnya juga tersimpan dalam arsip log yang selanjutnya untuk pengumpulan dan analisis data distribusi kerapatan elektronnya dari data NBO yang dapat ditunjukkan melalui gedit.

E. Teknik Pengumpulan dan Analisis Data 1. Pengumpulan Data Data yang diambil adalah gambar MIRA-1 hasil optimasi geometri dan single point serta gambar konfigurasi yang merupakan tambahan asam amino secara parsial. Selain itu, data NBO yang diambil adalah nilai occupancy dan muatan parsial. 2. Analisis Data Interaksi antara sistein dengan MIRA-1 untuk menunjukkan kebolehjadian pembentukan adduct tiol dengan melihat pengaruh lingkungan dalam lekukan mutasi disekitar MIRA-1 terhadap distribusi kerapatan elektronnya. Hal tersebut dapat ditentukan dengan membandingkan nilai delta occupancy target reaksi di MIRA-1 (ikatan rangkap C-C) dari satu konfigurasi ke konfigurasi yang lain. Itu dapat menunjukkan pengaruh asam amino (lingkungan lekukan mutasi) terhadap reaktivitas ikatan rangkap C-C. Pengaruh asam amino yang mempunyai gugus – commit user dari gugus atau atom MIRA-1 gugus yang berbeda – beda dengan jaraktotertentu



dapat memberikan pengaruh pada distribusi kerapatan elektron di MIRA-1 yang berpengaruh pada reaktivitas ikatan rangkap C-C. Kebolehjadian pembentukan adduct yang dipengaruhi lekukan mutasi dapat juga ditunjukkan melalui kemampuannya dalam mempengaruhi polarisasi ikatan rangkap C-C dengan mempunyai perbedaan nilai muatan parsial yang berbeda antara keduanya. Data tersebut dapat juga menunjukkan pengaruh geometri bagian alifatik terhadap reaktivitas ikatan rangkap C-C MIRA-1 tanpa adanya pengaruh lingkungan disekitarnya.

commit to user


digilib.uns.ac.id

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Kompleks Protein-Ligan

Mutasi onkogenik Y220C adalah salah satu perubahan genetik yang sering terdapat pada kanker manusia. Mutasi dapat menurunkan stabilitas protein dan menginduksi pembentukan celah di permukaan site mutasi. Mutasi kanker Y220C menginduksi pembentukan cavity (lekukan mutasi) pada permukaan protein yang dapat menampung molekul penstabil. Struktur mutan Y220C diperoleh dari p53 mutan Y220C yang ditambahkan dengan 5,6-dimetoksi-2metilbenzotiazol dengan kode pdb 2X0W. Itu diperoleh dari perkembangan desain obat rasional dengan menstabilkan p53 : menyelidiki permukaan mutan onkogen Y220C. Struktur 5,6-dimetoksi2metilbenzotiazol berada didekat Y220C kemudian dihilangkan dan digantikan dengan MIRA-1. MIRA-1 masuk ke lekukan mutasi Y220C dengan bantuan docking MOE (Molecular Operating Environment) (unpublished result). Struktur 5,6-dimetoksi-2metilbenzotiazol ketika dalam lekukan mutasi Y220C terstabilkan karena posisi dari atom N tiazol dapat membentuk ikatan hidrogen dengan gugus hidroksi dari threonin (150). Gugus metoksi dari struktur 5,6-dimetoksi-2metilbenzotiazol mengapit ikatan rangkap C-C berada jarak yang cukup dekat dengan sistein. Maka model interaksi struktur tersebut dapat dilakukan pada MIRA-1. MIRA-1 dengan 5,6-dimetoksi-2metilbenzotiazol sama – sama mepunyai gugus penarik elektron yang mengapit ikatan rangkap C-C yang dapat mempengaruhi polarisasinya sehingga dapat menunjukkan kebolehjadian pembentukan adduct. Hasil docking ligan (MIRA-1) tehadap mutan Y220C yaitu ligan berada di dalam lekukan mutasi. Konformasi yang diperoleh adalah posisi ikatan rangkap C-C MIRA-1 yang terkonjugasi gugus karbonil berada pada jarak relatif dekat dengan atom S asam amino sistein yang dapat ditunjukkan Gambar 9. Posisi commit to user tersebut dapat memberikan interaksi spesifik antara ligan (MIRA-1) dan protein 27



(mutan p53) sehingga dapat mengaktifkan fungsi p53 menyerupai wild-type-nya melalui kebolehjadian pembentukan adduct tiol. Ikatan rangkap C-C alkena yang mempunyai orbital ikatan π yang cederung kurang stabil dan memudahkan interaksi dengan sistein sehingga terdapat kebolehjadian pembentukan adduct tiol.

Gambar 9. Kompleks p53 termutasi Y220C dengan MIRA-1 hasil docking dan warna hitam menunjukkan MIRA-1. Kompleks protein-ligan mempunyai ukuran yang relatif besar (gambar 9) dengan protein mempunyai 3037 jumlah atom. Jika seluruh jumlah atom tersebut merupakan atom hidrogen dan setiap atom menggunakan sebuah orbital 1s. Dengan demikian jumlah total dari fungsi basis adalah 1+1+1+.....+1 hingga berjumlah 3037. Dengan demikian orbital molekul dari sejumlah atom tersebut dalam basis minimal diperoleh sebagai kombinasi linier dari 3037 fungsi basis ini. Ukuran perhitungan komputasi sebanding dengan jumlah basis pangkat empat. Semakin besar fungsi basis yang digunakan untuk meningkatkan ketelitian perhitungan mempengaruhi ukuran pekerjaan komputasi (waktu komputasi dan ukuran memori) yang besar. Itu jika dalam sistem hanya terdapat atom hidrogen, sedangkan kompleks p53-MIRA-1 juga terdapat atom C, N dan O yang mempunyai jumlah orbital lebih dari satu. Oleh karena itu, jumlah total fungsi commit to user basis yang ada dikompleks menjadi lebih dari 3037 yang akan meningkatkan



ukuran pekerjaan komputasi. Selain itu, ukuran yang besar dari kompleks maka semakin banyak antar atom yang tak berikatan dari sisi asam amino yang berbeda sehingga diasumsikan struktur menjadi tidak homogen. Itu menyebabkan perhitungan muncul masalah konvergensi. Oleh karena itu, kompleks p53-MIRA1 tidak dilakukan perhitungan utuh yang kemudian memperkecil ukuran kompleks pada daerah mutan Y220C yang ditunjukkan Gambar 10.

Gambar 10. Kompleks p53-MIRA-1 pada daerah mutan Y220C dan warna hitam menunjukkan MIRA-1. Limitasi dari software dan hardware yang tidak diketahui maka dilakukan percobaan memperkecil ukuran kompleks. Ukuran kompleks yang diperkecil ternyata memberikan masalah yang relatif sama dengan perhitungan dengan ukuran kompleks yang utuh. Ukuran kompleks (Gambar 10) yang sudah diperkecil jumlah atomnya menjadi 314 masih memberatkan ukuran kerja komputasi dan kesulitan dalam mengatur masalah konvergensi. Hal tersebut menyebabkan lingkungan dalam lekukan mutasi yang dimasukkan dalam perhitungan pada bagian yang berinteraksi langsung saja dengan MIRA-1. Satu atom saja dari suatu asam amino mempunyai jarak yang dekat dengan salah satu atom dari MIRA-1 maka asam amino tersebut dimasukkan sebagai konfigurasi yang akan dihitung kemudian. Jarak dari atom commit to user asam amino ke atom MIRA-1 ditunjukkan pada Tabel 2.



Tabel 2. Jarak antara atom dari asam amino ke atom MIRA-1 Sisi Asam amino Target Atom Asam Jarak Asam MIRAamino (Å) amino 1 GLU127 CA O1 4,028 PRO128 N O1 3,845 PRO129 CB C7 3,288 GLU130 CD C8 8,726 VAL131 CE C8 10,345 GLY132 CF C8 10,157 SER133 CG C7 7,047 ASP134 CH C7 4,948 CYS135 CI O3 5,547 THR136 CJ O3 3,941 THR137 CK O3 8,164

Sisi Lain Asam amino Target Atom Asam Jarak amino Asam MIRA(Å) amino 1 GLN50 CL O3 6,514 LEU51 CM O3 3,771 TRP52 CN O3 4,884 VAL53 CP O4 2,204 ASP54 CQ O4 4,678 SER55 CR O4 3,854 THR56 CS C7 6,970 PRO57 CT C7 4,492 PRO58 CV O3 6,917

Asam - asam amino yang sederet dengan asam amino sistein (target reaksi) yang mempunyai jarak relatif dekat terdapat atom C dan N asam amino dekat dengan atom O1 MIRA-1 masing – masing berjarak 4,028 Å dan 3,845 Å serta atom C asam amino berjarak 3,288 Å ke C7 MIRA-1 (Tabel 2). Maka asam amino selain sistein pada sisi ini yang diambil adalah asam amino 127 hingga 129 yaitu berturut – turut asam glutamat dan dua asam amino prolin. Asam amino 134 dan 136 mempunyai jarak yang juga dekat dengan MIRA-1, tetapi kedua asam amino berikatan peptida dengan asam amino sebelumnya yang jaraknya relatif jauh. Oleh karena itu, kedua asam amino tersebut tidak dimasukkan pada asam amino pilihan dalam pembentukan konfigurasi. Asam amino – asam amino yang terletak pada sisi lain dari asam amino target mempunyai lebih banyak asam amino yang mempunyai jarak yang relatif dekat dengan MIRA-1 (Tabel 2). Atom C yang berjarak relatif dekat dengan O4 MIRA-1 yaitu sebesar 4,678 Å pada asam amino 54 dan 2,204 Å pada asam amino 53. Asam amino yang diambil dari permukaan lekukan mutasi dimulai dengan 54. Asam amino 55 atom C-nya mempunyai jarak yang relatif dekat dengan O4 MIRA-1 sebesar 3,854 Å. Namun, karena sifatnya yang sama – sama commit to user non polar dengan asam amino 53 yaitu valin dan jarak yang dimilki valin lebih



dekat dengan O4 MIRA-1 sehingga asam amino yang diambil dimulai dengan nomor 54 hingga asam amino yang mengarah ke dalam lekukan mutasi yaitu asam amino 51. Asam amino 50 atom C-nya mempunyai jarak yang relatif jauh dengan O3 MIRA-1 sebesar 6,514 Å sehingga dibatasi hingga asam amino 51 yang diambil sebagai konfigurasi nantinya. Jumlah asam amino yang diambil pada sisi ini adalah 4 asam amino. Jadi total keseluruhan asam amino yang diambil sebagai pembentuk konfigurasi dalam perhitungan sebanyak 8 asam amino yaitu sistein, asam glutamat, 2 prolin, asam aspartat, valin, triptofan dan leusin. Dengan menggunakan pola pemilihan tersebut dapat dilihat dalam bentuk surface seperti Gambar 11.

Gambar 11. Surface bagian asam amino – asam amino dari lekukan mutasi yang berada di sekitar MIRA-1 dan warna hitam menunjukkan MIRA-1. Hal tersebut menyebabkan tidak semua asam amino dalam surface tersebut dihitung, tetapi hanya asam amino – asam amino pada surface warna merah. Surface warna putih terdiri dari asam amino yang mayoritas mempunyai jarak dengan MIRA-1 relatif jauh. Lingkungan dalam lekukan mutasi berupa asam amino terpilih mempunyai jarak atomnya yang kurang dari 5 Å dari jarak atom pada MIRA-1.

commit to user



Interaksi spesifik antara MIRA-1 dengan asam amino – asam amino yang merupakan lingkungan dari lekukan mutasi terjadi ketika mempunyai jarak yang relatif dekat sehingga dapat memberikan pengaruh yang lebih besar terhadap distribusi kerapatan elektronnya. Interaksi – interaksi dari asam amino yang dipilih sudah cukup sehingga tidak perlu jarak yang terlalu jauh dan tidak semua asam amino digunakan dalam perhitungan. Oleh karena itu, dapat diasumsikan interaksi yang terdapat dari asam amino – asam amino tersebut telah dapat mewakili sistem protein atau lekukan mutasi.

B. Perhitungan Analisis Populasi

Interaksi spesifik antara sistein dan ikatan rangkap C-C MIRA-1 yang terkonjugasi gugus karbonil dapat menjelaskan kebolehjadian pembentukan adduct tiol. Adduct merupakan ikatan kovalen yang terbentuk antara suatu biomolekul dan non biomolekul. Pembentukan adduct mampu mengembalikan konformasi p53 mendekati konformasi wild-type-nya. Interaksi spesifik dapat ditunjukkan dengan perhitungan analisis populasi. Perhitungan itu melibatkan struktur elektronik yang dapat dipelajari dengan menggunakan metode mekanika kuantum. Perhitungan analisis populasi pada penelitian ini menggunakan NBO. Perhitungan menggunakan level teori HF untuk memperoleh hasil perhitungan yang relatif akurat. Fungsi basis yang digunakan adalah 6-31G* yang dapat memberikan hasil perhitungan yang melibatkan pengaruh polarisasi ikatan dari senyawa organik. Perhitungan optimasi geometri dan single point NBO dapat memberikan informasi distribusi kerapatan elektron yang dapat ditunjukkan melalui data occupancy dan muatan parsial. Optimasi geometri dilakukan untuk memperoleh konfigurasi MIRA-1 yang stabil berdasarkan energinya. Hasil optimasi diperoleh sistem yang terstabilkan pada konformasi tertentu dan mempunyai energi yang relatif rendah. Struktur MIRA-1 teroptimasi ditunjukkan Gambar 12. commit to user



7H 8H 6H

H9 C8 H5

C7

2H

C6 4O

O2

C5

1H O3

N1 1O

C3

C4 C1

C2

2H

4H

Gambar 12. Struktur MIRA-1 teroptimasi. Struktur MIRA-1 terdiri dari bagian siklis dan bagian alifatik. Bagian siklis terdapat dua gugus karbonil yang mengapit ikatan rangkap C-C dan atom N1. Gugus karbonil dapat mempengaruhi tarikan elektron dari ikatan rangkap CC. Ikatan π pada ikatan rangkap C-C cenderung kurang stabil dibandingkan ikatan σ sehingga adanya pengaruh tarikan elektron menyebabkan kerapatan elektron pada ikatan π berkurang. Kerapatan elektron ikatan π pada ikatan rangkap C-C semakin rendah sebagai pengaruh dari dua gugus karbonil. Atom N1 juga dapat memberikan efek induksi yang akan mempengaruhi kerapatan elektron ikatan rangkap C-C semakin rendah. Bagian alifatik MIRA-1 tersusun dari struktur metil propionat yang terikat pada atom N1. Atom C5 yang terikat pada N1 dan ikatan yang terjadi sebagai penghubung antara bagian siklis dan alifatik. Atom C5 yang mengikat atom O2 dan N1 yang lebih elektronegatif daripadanya, dapat memberikan tarikan elektron yang besar pada C5 sehingga kerapatan elektronnya menjadi rendah yang dapat ditunjukkan melalui data muatan parsial. Bagian alifatik juga terdapat gugus karbonil yang dapat memberikan tarikan elektron besar sehingga mempengaruhi distribusi kerapatan elektron di MIRA-1. Distribusi kerapatan elektron pada MIRA-1 teroptimasi dapat ditunjukkan melalui hasil perhitungan NBO yang ditunjukkan pada Tabel 3. commit to user



Tabel 3. Nilai muatan parsial masing – masing atom penyusun MIRA-1. Atom O1 C3 C2 H4 C1 2H C4 O3 N1 C5 1H

Muatan Parsial -0,63562 0,83278 -0,25871 0,2568 -0,25872 0,2568 0,83279 -0,63565 -0,64005 0,16566 0,21898

Atom 2H O2 C6 O4 C7 H5 H6 C8 H7 H8 H9

Muatan Parsial 0,21897 -0,65264 0,99309 -0,66460 -0,55547 0,23661 0,23659 -0,62838 0,23143 0,21791 0,23143

Tabel 3 menunjukkan nilai muatan parsial tiap atom penyusun MIRA-1, semakin negatif nilai muatan parsialnya menunjukkan semakin kaya elektron atau kemungkinan ditemukan elektron (kerapatan elektron) semakin besar. Kerapatan elektron ikatan rangkap C-C alkena cukup besar yang ditunjukkan dengan muatan parsial yang cukup negatif sebesar -0,41041. Nilai yang cukup negatif menunjukkan kemungkinan ditemukan elektron pada ikatan rangkap C-C besar. Nilai tersebut dapat menurun kenegatifannya dengan adanya tarikan elektron yang lebih kuat disekitarnya seperti pada ikatan rangkap C-C MIRA-1. Ikatan rangkap C-C pada MIRA-1 yang disimbolkan C1 dan C2 mendapatkan tarikan elektron yang cukup besar dari dua gugus karbonil yang mengapitnya sehingga kerapatan elektron ikatan rangkap C-C-nya menurun menjadi sebesar -0,25872 pada C1 dan -0,25871 pada C2 yang ditunjukkan pada Tabel 3. Perbedaan muatan parsial antar atom C1 dan C2 yang relatif sangat rendah maka diasumsikan polarisasi ikatan rangkap C-C simetris. Ikatan rangkap C-C alkena ataupun pada MIRA-1 teroptimasi sama – sama mempunyai nilai polarisasi simetris karena mempunyai tarikan atau dorongan elektron yang sama besar pada kedua sisinya. Ikatan rangkap C-C alkena pada kedua atom C-nya sama – sama mengikat dua atom H yang mempunyai nilai keelektronegatifan sebesar 2,1 yang lebih commit to user rendah dibandingkan atom C sebesar 2,5. Itu menyebabkan tarikan elektron atom



C lebih besar dibandingkan atom H, maka atom H cenderung menyumbangkan elektronnya ke atom C. Hal tersebut yang dapat berakibat atom C atau ikatan rangkap C-C karbon menjadi bernilai sangat negatif muatan parsialnya dengan mendapatkan sumbangan elektron dari atom H. Seperti halnya ikatan rangkap C-C karbon alkena, pada MIRA-1 kedua atom C ikatan rangkap C-C-nya juga sama – sama mendapat donor dari satu atom H. Namun, pada kedua atom C-nya mendapatkan tarikan elektron dari gugus karbonil. Hal tersebut berpengaruh pada nilai muatan parsial yang makin berkurang kenegatifannya. Tarikan elektron dan donor elektron yang sama besar menyebabkan polarisasinya simetris. Gugus karbonil yang mempunyai atom O dengan nilai keelektronegatifan 3,5 yang lebih besar dibandingkan atom C (2,5) sehingga gugus karbonil dapat menarik elektron dari atom karbon ikatan rangkap C-C dan mempengaruh kerapatan elektronnya menjadi lebih rendah. Struktur lingkar 5 simetris yang juga mempengaruhi tarikan elektron dari gugus karbonil sama besar ditunjukkan nilai muatan parsial dari atom O karbonil (O1 dan O3) yang relatif sama berturut – turut yaitu -0,63562 dan -0,63565 yang ditunjukkan pada Tabel 3. Gugus ester pada bagian alifatik MIRA-1 mempunyai gugus karbonil (C6=O4) mempunyai kecenderungan terdapat tarikan elektron yang mengarah padanya. Atom O2 yang terikat antara atom C5 dan C6 sehingga atom O2 mendapatkan donor elektron dari kedua atom C tersebut. Atom C6 mempunyai muatan parsial yang paling positif (Tabel 3) karena mendapatkan tarikan elektron dari dua atom O (O2 dan O4) yang mempunyai elektronegatif tinggi terutama atom O4 yang berikatan rangkap cenderung lebih polar maka tarikan elektron yang diberikan ke C6 lebih besar dibandingkan O2. Tarikan elektron dari atom O4 gugus

karbonil

dapat

memberikan efek induksi

pada atom

N

yang

menghubungkan antara bagian siklis dan alifatik MIRA-1. Atom N yang lebih elektronegatif dibandingkan atom C penyusun kerangka bagian siklis dapat memberikan tarikan elektronya dan mempengaruhi distribusi kerapatan elektron bagian siklis. Interaksi spesifik antara MIRA-1 dengan lingkungan disekitarnya yaitu commit to relatif user dekat dengan MIRA-1 (Gambar asam – asam amino yang mempunyai jarak



11) sehingga dapat memberikan pengaruh besar terhadap distribusi kerapatan elektron MIRA-1 terutama pada ikatan rangkap C-C. Pembentukan konfigurasi dari asam amino terpilih dilakukan melalui penambahan asam amino – asam amino tersebut secara parsial. Hal tersebut dimaksudkan untuk melihat pengaruh tiap asam amino atau lingkungan disekitar MIRA-1 terhadap kerapatan elektron ikatan rangkap C-C MIRA-1 yang berpengaruh pada reaktivitasnya sehingga dapat memberikan informasi tentang kebolehjadian pembentukan adduct tiol. Informasi distribusi kerapatan elektron ikatan rangkap C-C MIRA-1 sebagai pengaruh lingkungan disekitarnya diperoleh melalui single point NBO. Single point dilakukan agar target reaksi dari kompleks yang diperoleh tidak berubah posisinya. Perhitungan dimulai dari konfigurasi ke-0 yang hanya terdiri dari MIRA-1 (ligan). MIRA-1 yang diambil dari kompleks hasil docking yang terdapat dalam lekukan mutasi ditunjukkan Gambar 13. H8 6H 5H

H7 C8

C7

H9

C6 4O

O2

2H 1H

C5

O3 N1

1O

C4

C3 C1 C2

2H

4H

Gambar 13. Struktur MIRA-1 dari kompleks Y220C-MIRA-1 hasil docking. Gambar 13 menunjukkan bagian alifatik pada rantai karbon etil (-C2H5) tertekuk. Bagian alifatik yang fleksibel dapat mempengaruhi kerapatan elektron berbeda antara kedua atom C ikatan rangkap C-C. Kerapatan elektronnya ditunjukkan dengan nilai muatan parsial C1 sebesar -0, 25043 dan C2 sebesar -0,25163 yang menunjukkan terdapat perbedaan sebesar 0,00120. Struktur MIRA-1 yang tidak dipengaruhi oleh lingkungan lekukan mutasi disekitar MIRA-1 untuk mempunyai struktur yang asimetris dan berpengaruh pada tingkat polarisasi ikatan rangkap C-C, bergantung pada bagian alifatiknya. commit to user Bagian siklis yang berupa struktur lingkar 5 dan simetris tidak dapat



mempengaruhi secara langsung polarisasi dari ikatan rangkap C-C (C1=C2). Bagian alifatik yang fleksibel suatu saat berada pada posisi tertentu yang dapat mempengaruhi kerapatan elektron dari ikatan rangkap C-C karbon menjadi asimetris. Konfigurasi ke-0 yang terdiri dari MIRA-1 merupakan struktur yang selalu ada di semua konfigurasi – konfigurasi. Konfigurasi dibentuk dari lingkungan lekukan mutasi disekitar MIRA-1 yaitu asam amino – asam amino yang ditambahkan secara parsial ditunjukkan Gambar 14.

Gambar 14. Konfigurasi – konfigurasi dengan penambahan asam amino secara parsial dan nilai ∆occupancy C1=C2 dari masing – masing tambahan asam amino. Warna putih, kuning, merah dan biru berturut – turut menunjukkan atom H (Hidrogen), S (Sulfur), O (Oksigen) dan N (Nitrogen). Hanya atom H polar yang ditampilkan untuk mendukung kejelasan gambar. Gambar 14 menunjukkan konfigurasi ke-1 hingga ke-8 dengan penambahan asam amino satu per satu melalui ikatan peptidanya. Terdapat nilai ∆occupancy yang dituliskan berurutan kebawah menunjukkan nilai kerapatn elektron ikatan rangkap C-C masing – masing konfiugrasi dari konfigurasi kehingga ke-8.

commit to user



Nilai ∆occupancy merupakan nilai selisih antara nilai occupancy dari suatu konfigurasi dengan nilai occupancy dari konfigurasi ke-0 (MIRA-1). ∆occupancy bernilai positif berarti nilai occupancy konfigurasi yang terdapat pengaruh asam amino lebih tinggi dibandingan konfigurasi nol. Hal tersebut menunjukan bahwa pengaruh lingkungan disekitar MIRA-1 yaitu asam amino meningkatkan kerapatan elektron dari ikatan rangkap C-C yang berarti reaktivitasnya turun. Nilai ∆occupancy negatif berarti reaktivitas ikatan rangkap C-C dengan adanya lingkungan disekitar MIRA-1 meningkat karena kerapatan elektronnya lebih rendah sehingga kebolehjadian pembentukan adduct lebih tinggi. Setiap asam amino – asam amino yang ditambahkan memberikan nilai ∆occupancy yang berbeda – beda. Hal tersebut menunjukkan setiap asam amino mempunyai kontribusi yang berbeda – beda terhadap ikatan rangkap C-C. Konfigurasi ke-1 dengan tambahan asam amino sistein terdapat atom S mempunyai jarak rata - rata dengan ikatan rangkap C-C sebesar 3,765 Å. Jarak yang cukup dekat untuk dapat memberikan induksi. Induksi yang diberikan pada ikatan rangkap C-C dapat meningkatkan kekuatan tarikan elektronnya terhadap gugus disekitarnya sehingga menjadikan kerapatan elektronnya meningkat. Itu ditunjukkan dengan nilai ∆occupancy-nya bernilai positif sebesar 0,00021. Peningkatan kerapatan elektron menunjukkan reaktivitas ikatan rangkap C-C menjadi rendah terhadap serangan nukleofil (gugus tiol) yang diindikasi melalui reaksi addisi. Oleh karena itu, jika dalam sistem hanya terdapat sistein dan MIRA1 maka kebolehjadian terbentuknya adduct tiol cukup rendah. Konfigurasi ke-2 dengan tambahan asam amino asam glutamat, strukturnya mempunyai atom O gugus karbonil pada ikatan peptidanya mengarah ke dalam lekukan mutasi yaitu ke atom O1 gugus karbonil MIRA-1 (C3=O1) dengan jarak 4,108 Å. Jarak yang cukup dekat dan interaksi polar antar atom O menimbulkan induksi yang dapat meningkatkan tarikan elektron O1. Itu berpengaruh pada makin besar elektron dari ikatan rangkap C-C yang tertarik ke arah O1 sehingga kerapatan elektron ikatan rangkap C-C menjadi lebih rendah. Induksi memberikan nilai ∆occupancy sebesar -0,00150 yang menunjukkan commit to user



penurunan nilai occupancy. Nilai tersebut menunjukkan peningkatan reaktivitas ikatan rangkap C-C. Konfigurasi ke-3 dan ke-4, keduanya mempunyai tambahan asam amino prolin yang mempunyai jarak O ke O1 MIRA-1 masing – masing sebesar 5,919 Å dan 7,658 Å. Jarak tersebut cukup jauh untuk asam amino nonpolar dapat memberikan induksinya. Induksi yang dapat diberikan dari asam amino nonpolar lebih lemah dibandingkan asam amino polar atau bahkan tidak dapat memberikan induksi. Oleh karena itu, induksi yang muncul tetap dari atom O gugus karbonil asam amino asam glutamat yang yang bersifat polar dan mempunyai jarak lebih dekat dibandingkan kedua konfigurasi tersebut yaitu 4,108 Å. Induksi dari asam amino pada kedua konfigurasi yang muncul tetap dari gugus karbonil asam amino asam glutamat mempengaruhi kerapatan elektronnya. Asam amino nonpolar gugus penyusunnya pendorong elektron yang ketika berikatan peptida dengan gugus karbonil dapat meningkatkan kepolaran gugus karbonil. Konfigurasi ke-3 asam amino prolin berikatan peptida gugus karbonil asam glutamat sehingga dapat meningkatkan kepolaran gugus karbonil. Hal tersebut mempengaruhi semakin besarnya tarikan elektron atom O karbonil asam glutamat yang dapat ditunjukkan dengan nilai kerapatan elektronnya semakin negatif berturut – turut tanpa atau dengan adanya gugus amino yang mengikatnya dari konfigurasi ke-2, ke-3 dan ke-4 yaitu -0,74354, -0,79603 dan -0,80385. Peningkatan kepolaran atau tarikan elektron atom O gugus karbonil dapat meningkatkan induksi ke atom O1 bagian maleimida MIRA-1 sehingga makin berkurang pula kerapatan elektron ikatan rangkap C-C. Pengaruh asam amino prolin memberikan nilai ∆occupancy yang cukup rendah berturut – turut pada konfigurasi ke-3 dan ke-4 sebesar 0,00427 dan -0,00434. Konfigurasi ke-4 mempunyai penurunan yang rendah sebesar 0,00007 dari konfigurasi ke-3 dibandingkan penurunan konfigurasi ke-3 dari konfigurasi ke-2 (0,00277). Asam amino prolin yang ditambahkan pada konfigurasi ke-4 berikatan peptida dengan asam amino prolin juga (asam amino tambahan konfigurasi ke-3) yang sifatnya nonpolar. Asam amino nonpolar cenderung mempunyai kekuatan commit to user induksi yang lebih rendah daripada asam amino polar. Oleh karena itu, asam



amino prolin (konfigurasi ke-4) yang mendapatkan induksi dari tetangganya berupa asam amino yang sifatnya sama, induksi yang diperolehnya rendah sehingga kekuatan donor elektron asam amino prolin konfigurasi ke-4 lebih rendah dibandingkan asam amino prolin pada konfigurasi ke-3 yang mendapatkan induksi dari asam amino tetangganya yang bersifat polar. Hal tersebut dapat mempengaruhi kekuatan donor elektron gugus karbonil asam glutamat rendah dan mempengaruhi kepolarannya sehingga tidak setinggi tambahan asam amino prolin konfigurasi ke-3. Hal tersebut mempengaruhi penurunan nilai kerapatan elektron ikatan rangkap C-C menjadi tidak besar dibandingkan konfigurasi ke-3. Konfigurasi ke-6 dengan tambahan asam amino valin terdapat atom O gugus karbonil ikatan peptidanya yang mengarah ke dalam lekukan mutasi. Atom O mempunyai jarak 3,465 Å dengan atom O4 gugus karbonil bagian alifatik MIRA-1. Jarak yang cukup dekat dan interaksi polar antar atom O dapat memberikan induksi yang cukup besar. Induksi dari asam amino dapat meningkatkan tarikan elektron pada gugus karbonil bagian alifatik. MIRA-1 pada bagian siklis terdapat atom N1 sebagai tempat terikatnya bagian alifatik. Atom N mempunyai keelektronegatifan 3,0 yang lebih elektronegatif dibandingkan atom C (2,5) yang mendominasi kerangka struktur siklisnya sehingga induksi yang berasal dari bagian alifatik ke bagian siklis melalui atom N1. Induksi dari gugus karbonil bagian alifatik yang disimbolkan dengan C6=O4 dapat meningkatkan tarikan elektron N1 ke bagian siklis yang berpengaruh pada kerapatan elektron ikatan rangkap C-C. Maka kerapatan elektronnya semakin rendah dengan adanya tambahan tarikan elektron yang besar dari atom N1 selain dari dua gugus karbonil yang mengapitnya dengan atom O (3,5) yang juga lebih elektronegatif dibandingkan atom C (2,5). Bagian alifatik terikat pada atom N bagian siklis mempengaruhi induksi dari gugus karbonil bagian alifatik dapat mempengaruhi distribusi kerapatan elektron di bagian siklis melalui atom N. Semakin besar induksi dari luar ke gugus karbonil bagian alifatik maka semakin besar pula induksi yang dapat diberikan ke bagian siklis sehingga semakin besar elektron yang tertarik dari ikatan rangkap Ccommit tomakin user rendah. Asam amino tambahan C dan menjadikan kerapatan elektronnya



valin yang menginduksi gugus karbonil bagian alifatik MIRA-1 dapat mempengaruhi tarikan elektron yang tinggi pada ikatan rangkap C-C. Hal tersebut memberikan nilai ∆occupancy-nya yang lebih negatif yaitu sebesar -0,00382 dibandingkan konfigurasi ke-5. Nilai tersebut menunjukkan bagian alifatik dapat memberikan pengaruh terhadap reaktivitas ikatan rangkap C-C MIRA-1. Kerapatan elektron rendah mempengaruhi kemudahan serangan dari gugus tiol dan memperbesar kebolehjadian pembentukan adduct tiol. Konfigurasi ke-7 dengan asam amino tambahan triptofan, atom O gugus karbonil peptidanya mempunyai jarak dengan atom O4 MIRA-1 sebesar 5,367 Å. Jarak tersebut untuk asam amino yang bersifat nonpolar cukup jauh untuk memberikan induksi. Induksi yang ada sangat lemah bahkan tidak ada. Asam amino tambahan pada konfigurasi ini mempunyai rantai samping siklis yang hampir sama dengan asam amino prolin (konfigurasi ke-3 dan ke-4). Kecenderungan induksi yang muncul tetap pada atom O asam amino valin yang mempunyai jarak lebih dekat. Namun, valin yang merupakan asam amino nonpolar dan memdapat induksi dari asam amino yang sifatnya juga nonpolar tidak cukup membantu meningkatkan induksi ke MIRA-1. Triptofan yang nonpolar kontribusinya rendah dalam meningkatkan kepolaran gugus karbonil dari valin yang memberikan induksi ke gugus karbonil MIRA-1 dan selanjutnya mempengaruhi reaktivitas ikatan rangkap C-C. Hal tersebut menjadikan nilai ∆occupancy cenderung mengalami sedikit kenaikan. Asam amino tambahan triptofan tetap memberikan nilai ∆occupancy yang menunjukkan reaktivitas yang tinggi dari ikatan rangkap C-C. Nilai ∆occupancy-nya yaitu sebesar -0,00358. Asam amino tambahan leusin pada konfigurasi ke-8 terdapat atom O dari gugus karbonil ikatan peptidanya mengarah ke atom O3 gugus karbonil bagian siklis MIRA-1 dengan jarak 3,299 Å. Jarak yang cukup dekat dan interaksi polar antar atom O dapat memberikan induksi. Induksi dari leusin dapat meningkatkan tarikan eletron dari atom O3 gugus karbonil MIRA-1 sehingga kerapatan elektron ikatan rangkap C-C tetap lebih rendah dibandingkan konfigurasi ke-0 sebesar 0,00347 yang berarti reaktivitas ikatan rangkap C-C tetap tinggi. Gugus tiol yang commit to user mempunyai nukleofilitas lemah maka serangannya cenderung lebih mudah pada



ikatan rangkap C-C yang mempunyai reaktivitas tinggi. Selain itu, adanya tarikan elektron yang besar pada salah satu sisi ikatan rangkap C-C dapat memberikan tingkat polarisasi yang tinggi sehingga dapat mempermudah serangan nukleofil. Seperti halnya konfigurasi ke-2 yang asam amino tambahannya mempunyai atom O gugus karbonil ikatan peptidanya mengarah ke dalam lekukan mutasi dan mempunyai jarak yang cukup dekat untuk memberikan induksi pada atom O1 gugus karbonil bagian maleimida MIRA-1 sehingga memberikan tarikan elektron yang lebih besar pada salah satu sisi ikatan rangkap C-C. Hal tersebut dapat menurunkan kerapatan elektron dan memberikan polarisasi pada ikatan rangkap C-C. Tarikan elektron yang lebih besar ke arah atom O1 sehingga arah polarisasi ikatan rangkap C-C yaitu ke C2 yang ditunjukkan Gambar 15. Hal tersebut ditunjukkan dengan nilai muatan parsial C2 (-0,26916) lebih negatif dibandingkan C1 (-0,25278). Nilai tersebut menunjukkan C1 mempunyai kecenderungan sebagai parsial positif (δ+).

Gambar 15. Konfigurasi ke-2 dengan adanya tarikan elektron yang lebih besar dari salah satu sisi ikatan rangkap C-C. Warna putih, kuning, merah dan biru berturut – turut menunjukkan atom H (Hidrogen), S (Sulfur), O (Oksigen) dan N (Nitrogen). Hanya atom H polar yang ditampilkan untuk mendukung kejelasan gambar. Lekukan mutasi yang diwakili konfigurasi ke-8 ikatan rangkap C-C MIRA-1-nya mempunyai kerapatan elektron yang rendah. Ikatan rangkap C-C karbon MIRA-1 dapat terpolarisasi sebagai pengaruh dari lekukan mutasi yang diwakili konfigurasi ke-8 yang ditunjukkan pada Gambar 16. commit to user



Gambar 16. Polarisasi ikatan rangkap C-C dipengaruhi lekukan mutasi (konfigurasi ke-8). Warna putih, kuning, merah dan biru berturut – turut menunjukkan atom H (Hidrogen), S (Sulfur), O (Oksigen) dan N (Nitrogen). Hanya atom H polar yang ditampilkan untuk mendukung kejelasan gambar. Nilai muatan parsial pada C1 sebesar -0,24707 dan pada C2 sebesar -0,26243. Asam amino tambahan leusin dengan atom O gugus karbonil ikatan peptidanya dekat dengan atom O3 MIRA-1 karena asam amino sifatnya nonpolar cenderung efek induksi yang diberikan lemah. Induksi tetap lebih kuat dari asam amino polar yang atom O gugus karbonil ikatan peptidanya dekat dengan atom O1 MIRA-1 sehingga tarikan elektron O1 lebih besar daripada atom O3 sehingga mempengaruhi arah polarisasi ikatan rangkap C-C MIRA-1. Serangan nukelofil lebih mengarah pada atom karbon yang bermuatan parsial positif dan lebih dekat jaraknya dengan nukleofil yaitu C1. Lekukan mutasi yang diwakili konfigurasi ke8 (Gambar 14) ikatan rangkap C-C MIRA-1-nya mempunyai kerapatan elektron yang rendah dan perbedaan polarisasi antara C1 dan C2 cukup besar. Polarisasi dapat terjadi pada lekukan mutasi sehingga berpengaruh pada kebolehjadian pembentukan adduct tiol. Lekukan mutasi lebih dapat meningkatkan polaritas ikatan rangkap C-C MIRA-1 sehingga mempunyai tingkat polarisasi tinggi. Hal tersebut ditunjukkan dengan perbedaan nilai muatan parsial antar kedua atom C ikatan rangkap C-C besar. Pengaruh asam amino lebih dominan dibandingkan commit to user



pengaruh bagian alifatik secara langsung terhadap polaritas ikatan rangkap C-C MIRA-1. Asam amino – asam amino dapat memberikan tarikan ataupun dorongan elektron pada MIRA-1 sehingga mempengaruhi reaktivitas ikatan rangkap C-Cnya. Asam amino – asam amino yang ditambahkan selain asam amino sistein yang terdapat pada konfigurasi ke-1 memberikan nilai kerapatan elektron yang negatif. Itu menunjukkan reaktivitas dari ikatan rangkap C-C dapat meningkat dengan adanya asam amino – asam amino yang terdapat dalam lekukan mutasi. Asam amino yang bersifat nonpolar cenderung memberikan nilai ∆occupancy yang lebih rendah dibandingkan asam amino polar. Bagian alifatik yang mendapat induksi dari atom yang sifatnya polar dari asam amino memberikan pengaruh yang cukup signifikan pada reaktivitas ikatan rangkap C-C. Induksi yang ada mempengaruhi tarikan elektron dari atom MIRA-1 yang terinduksi sehingga mempengaruhi kerapatan elektron ikatan rangkap C-C dapat bernilai rendah. Hal tersebut juga mempengaruhi tingkat polarisasi ikatan rangkap C-C yang besar. Pengaruh induksi pada gugus karbonil bagian alifatik memberikan polarisasi ditunjukkan dengan nilai muatan parsial yang berbeda antar atom C ikatan rangkap C-C. Nilai muatan parsial C1 sebesar -0,23876 dan C2 sebesar -0,27113 (Gambar 17).

Gambar 17. Konfigurasi ke-6 dengan induksi dari valin memberikan tingkat polarisasi tinggi pada ikatan rangkap C-C. Warna putih, kuning, merah dan biru berturut – turut menunjukkan atom H (Hidrogen), S (Sulfur), O (Oksigen) dan to N (Nitrogen). Hanya atom H polar yang commit user ditampilkan untuk mendukung kejelasan gambar.



Atom C2 mempunyai nilai muatan parsial lebih negatif yang berarti cenderung sebagai muatan parsial negatif (δ-) dan C1 sebagai muatan parsial positif (δ+). Serangan nukleofil mempunyai kecenderungan ke arah C1. Perbedaan nilai muatan parsial antara C1 dan C2 dengan adanya pengaruh induksi asam amino pada bagian alifatik menunjukkan bagian alifatik mempunyai konntribusi yang besar pada polarisasi ikatan rangkap C-C. Lekukan mutasi yang teridiri dari asam amino – asam amino baik polar maupun nonpolar dengan rantai samping yang berbeda dan ikatan peptida. Gugus karbonil ikatan peptida yang berikatan dengan gugus amino dapat meningkatkan polaritas gugus karbonil sehingga meningkatkan tarikan elektron atom O gugus karbonil. Polaritas semakin besar maka induksi yang diberikan ke MIRA-1 juga semakin besar. Gugus dari ikatan peptida asam amino yang mengarah ke dalam lekukan mutasi yang memberikan pengaruh besar pada polarisasi ikatan rangkap C-C. Terlebih untuk gugus penarik elektron yang memberikan induksi pada salah satu sisi gugus penarik elektron MIRA-1 dapat memberikan pengaruh pada polarisasi ikatan rangkap C-C yang lebih besar. Polarisasi yang terjadi dapat menunjukkan adanya muatan parsial positif dan negatif karbon dari ikatan rangkap C-C yang diapit oleh gugus karbonil. Oleh karena itu dengan adanya muatan parsial positif terdapat kebolehjadian serangan dari gugus tiol sehingga terdapat kebolehjadian pembentukan adduct tiol. Akibat pengaruh tarikan elektron yang makin besar dari lingkungan yang ada disekitar ikatan rangkap C-C menjadikan atom C yang bermuatan parsial positif makin rendah dengan adanya pengaruh lekukan mutasi yaitu sebesar -0, 24707 lebih rendah dibandingkan tanpa pengaruh lekukan muatsi yaitu sebesar -0, 25043. Energi donor dari lone pair elektron atom S (sebagai nukleofil) dari konfigurasi ke-1 hingga ke-8 mempunyai nilai berkisar 0,79 - 0,80 kkal/mol. Arah serangan nukleofil lebih ke arah atom C1 yang mempunyai jarak lebih dekat sebesar 3,708 Å dibandingkan C2 yang jaraknya sebesar 3,821 Å. Selain itu, kasus ini C1 cenderung bermuatan parsial positif. Menurut Lee and Kollman (1999), serangan nukleofilik sistein (atom S) pada karbon β yang terkonjugasi commit to user



gugus karbonil seperti pada sistem MIRA-1 terjadi pada jarak sekitar 1,9 Å dan energi donor nukelofil kurang dari 5 kkal/mol. Hal tersebut menunjukkan bahwa masih diperlukan energi donor yang lebih tinggi untuk atom S dalam sistein yang dipelajari sehingga dapat memberikan serangan ke atom C1 pada jarak 3,708 Å dan membentuk adduct. Masih diperlukan lingkungan lain yang dapat meningkatkan energi donornya tentunya harus lebih besar dari 5 kkal/mol. Turunan maleimida selain MIRA-1 terdapat MIRA-2, MIRA-3, MIRA-A, MIRA-B dan MIRA-C. Turunan maleimida MIRA-A, MIRA-B dan MIRA-C ditunjukkan pada Gambar 18. Cl

HO O CH2

O O

O C

N

O

N

C N

O

O

O

MIRA-C MIRA-A MIRAB Gambar 18. Struktur MIRA-A, MIRA-B dan MIRA-C. MIRA-A

MIRA-A, MIRA-B dan MIRA-C merupakan turunan maleimida yang tidak mempunyai ikatan rangkap C-C pada bagian siklisnya menandakan turunan tersebut tidak reaktif. Ikatan rangkap C-C tersebut dibutuhkan untuk membentuk ikatan tiol yang merupaka salah satu cara untuk mengembalikan konformasi p53 termutasi menyerupai wild-type p53. Sehingga ketiga turunan maleimida tersebut tidak dapat membentuk adduct dengan gugus tiol dari asam amino sistein. Selain ketiga turunan maleimida tersebut terdapat pula MIRA-1, MIRA-2 dan MIRA-3 ditunjukkan pada Gambar 19.

commit to user



O

H3C

O

CH2

O

H2 C N

O

CH2

O

N O

N

O

O

O

MIRA-1

CH3

OH

MIRA-2

CH2

O

MIRA-3

Gambar 19. Struktur MIRA-1, MIRA-2 dan MIRA-3. MIRA-1, MIRA-2 dan MIRA-3 merupakan turunan maleimida yang reaktif karena ketiganya mempunyai ikatan rangkap C-C pada bagian siklis yang digunakan untuk kebolehjadian pembentukan ikatan tiol. Ketiga turunan maleimida tersebut berbeda pada bagian alifatiknya. MIRA-1 dan MIRA-3 dibandingkan dengan MIRA-2 mempunyai perbedaan pada atom O gugus karbonil yang terdapat pada alifatik. Gugus karbonil tersebut memberikan kemudahan induksi dari asam amino. Induksi yang dapat meningkatkan tarikan elektron dari atom O gugus karbonil bagian alfatik sehingga dapat memberikan pengaruh terhadap reaktivitas ikatan rangkap C-C MIRA-1 tinggi. MIRA-1 dan MIRA-3 berdasarkan strukturnya berbeda pada rantai karbon yang terletak pada ujung bagian alifatik. Rantai karbon –C2H5 (etil) pada MIRA-1 dan –CH3 (metil) pada MIRA-3 merupakan gugus pendonor elektron yang dapat memberikan kemudahan bagi karbon karbonil bagian alifatik mendonorkan elektronnya dengan semakin panjangnya rantai karbon yang terikat pada karbon karbonil dapat memberikan donor elektron ke atom karbon karbonil. Donor elektron yang semakin mudah dari atom karbon karbonil mempengaruhi semakin besar tarikan elektron dua atom O yang terikat padanya. Itu akan mempengaruhi distribusi elektron bagian alifatik yang berdampak pada tarikan elektron ikatan rangkap C-C oleh atom N. Hal tersebut dapat menunjukkan bahwa tarikan atom O gugus karbonil bagian alifatik yang semakin besar dengan induksi rantai karbon yang terikat pada karbon karbonil semakin panjang mempengaruhi tarikan elektron pada bagian siklis menjadi semakin besar juga. Hal tersebut memberikan nilai commit user kerapatan elektron ikatan rangkap C-CtoMIRA-1 yaitu sebesar 1,89096 lebih



rendah dibandingkan MIRA-3 yang bernilai 1,90512. Hal tersebut menunjukkan ketiga turunan maleimida mempunyai reaktivitas yang berbeda.

commit to user


digilib.uns.ac.id

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan 1. Kerapatan elektron ikatan rangkap C-C MIRA-1 dapat menjadi asimetris dengan adanya pengaruh induksi dari gugus – gugus asam amino dan rantai samping MIRA-1. 2. Ikatan rangkap MIRA-1 dapat terpolarisasi sebagai pengaruh dari lekukan mutasi. Atom O karbonil dari ikatan peptida yang dekat dengan atom O karbonil bagian maleimida dapat menginduksi atom O tersebut untuk memberikan tarikan elektron yang lebih besar sehingga ikatan rangkap C-C kerapatan elektronnya semakin rendah dan dapat terpolarisasi. Polarisasi memberikan kemudahan serangan gugus tiol yang mengindikasi kebolehjadian yang tinggi pada pembentukan adduct tiol. 3. Bagian alifatik MIRA-1 mempunyai gugus karbonil yang memudahkan untuk mendapat induksi dari asam amino yang menjadikan kerapatan elektron ikatan rangkap C-C menjadi rendah dan mempunyai tingkat polarisasi tinggi. Bagian alifatik bersifat fleksibel dapat bergerak pada posisi tertentu dan menyebabkan ikatan rangkap C-C mempunyai kerapatan elektron yang berbeda antar atom C-nya.

B. Saran Perlunya dilakukan studi interaksi dengan memperbanyak variasi konformasi kompleks p53 termutasi Y220C dengan MIRA-1.

commit to user 49


digilib.uns.ac.id

DAFTAR PUSTAKA Alberts, B, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff. 2002. Molecular Biology of the Cell, 4th Edition. Garland Science, New York.

Basse, N, J. L. Kaar, G. Settani, A.C. Joerger, T.J. Rutherford, and A.R. Fersht. 2010. Toward the Rational Design of p53-Stabilizing Drugs: Probing the Surface of the Oncogenic Y220C Mutant. Chem and Biol, 17: pp. 46-56.

Boeckler, F. M, A.C. Joerger, G. Jaggi, T.J. Rutherford, D.B. Veprintsev, and A.R. Fersht. 2008. Targeted Rescue of a Destabilized Mutant of p53 by an in Silico Screened Drug. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105: pp. 10360– 10365.

Bullock, A. N, J. Henckel, and A.R. Fersht. 2000. Quantitative Analysis of Asam aminoal Folding and DNA Binding in Mutant p53 Core Domain: Definition of Mutant States for Rescue in Cancer Therapy. Oncogene 19: pp.1245-1256.

Bykov, V. J. N, N. Issaeva, G. Selivanova, and K. G. Wiman. 2002a. Mutant p53Dependent Growth Suppression Distinguishes PRIMA-1 From Known Anticancer Drugs: A Statistical Analysis of Information In The National Cancer Institute Database. Carcinogenesis. 23(12): pp.2011–2018.

Bykov, V. J. N, N. Issaeva, A. Shilov, M. Hultcrantz, E. Pugaekeva, P. Chumakov, J. Bergman, K.G. Wiman, G. Selinanova. 2002b. Restoration of the Tumor Suppresor Function to Mutant p53 by A Low-Molecular Weight Compound. Nature Medicine. 8(3): pp.282 – 288.

Bykov, V. J. N, N. Issaeva, N. Zache, A. Shilov, M. Hultcrantz, J. Bergman, G. Selinanova, and K.G. Wiman. commit2005. to userReactivation of Mutant p53 and 50



Induction of Apoptosis in Human Tumor Cells by Maleimide Analogs. J Biol Chem, 280(34): pp. 30384 – 30391.

Copeland, Robert. A. 2000. Enzymes : A Practical Introduction to Structure, Mechanism, and Data Analysis. Second Edition. New York:John Wiley & Sons,Inc. Das, D, P. Kirsten, M.B. Eric, S. Paul, C.C. David, H. Milan, and R.B. Bernard. 2002. Optimization of Quantum Mechanichal Molecular Mechanical Partitioning Schemes : Gaussian Delocalization of Molecular Mechanical Charges and The Double Link Atom Method. J Chem Phys, 117:1053510547. Dolenc, J, and J. Koller. 2006. An Improved Semiempirical MO PM3 Method for Hydrogen-Bonded Systems. Acta Chim. Slov.53: 229–237. Dorsett, H, and A. White. 2000. Overview of Molecular Modelling and Ab initio Molecular Orbital Methods Suitable for Use with Energetic Materials. DSTO Aeronautical and Maritime Research Laboratory, Australia. Effendy. 2005. Teori VSEPR Kepolaran dan Gaya Antarmolekul. Edisi ke-2. Bayumedia, Malang. Frisch, A, J.F. Michael, and W.T. Gary. 2003. Gaussian 03 User’s Reference. Wallingford. Gaussian, Inc. Glendening, D. Eric, R.L. Clark, and W. Frank. 2011. Natural Bond Orbital Methods. Comput Mol Sci 00: 1-42. Humphrey, W, A. Dalke, and K. Schulten. 1996. VMD -Visual Molecular Dynamics. J. Molecular Graphics 14: pp. 33-38. Joerger, A. C, H. C. Ang, and A. R. Fersht. 2006. Structural Basis for Understanding Oncogenic p53 Mutations and Designing Rescue Drugs. to 15056–15061. user Proc. Natl. Acad. Sci. USAcommit 103: pp.



Joerger, A.C, and A.R. Fersht. 2007. Structure-function-rescue: the diverse nature of common p53 cancer mutants. Oncogene 26: pp.2226–2242. Lambert, J. M. R, P. Gorzov, D. B. Veprintsev, M. Soderqvist, D. Segback, J. Bergman, A.R. Fersht, P. Hainaut, K.G. Wiman, and V.J.N. Bykov. 2009. PRIMA-1 Reactivates Mutant p53 by Covalent Binding to the Core Domain. Cancer Cell. 15: 376–388. Laue, T. and A. Plagens. 2005. Named Organic Reactions. Second Edition. John Willey & Sons Ltd., England. Leach, A. R. 2001. Molecular Modelling: Principles and Applications. Second Edition. Prentice-Hall, USA. Lee, T, and P.A. Kollman. 1999. Quantum Mechanical Calculations of Nucleophilic Attack in the Pseudouridine Synthesis Reaction. J. Am. Chem. Soc. 121: 9928-9931. Liu, H, M. Elstner, E. Kaxiras, T. Frauenheim, J. Hermans, and W. Young. 2001. QuantumMechanics Simulation of Protein Dynamics on Long Timescale. Protein Struc Funct Genet. 44: 484–489. Manikrao, A.M, N.S. Mahajan, and R.D. Jawrkar. 2011. Docking Studies of few C-3 Substituted Azapteridines as Hepatitis C Virus RNA-Dependent RNA Polymerase inhibitors. J. Comput. Method. Mol. Design. 1(4): 35-45. March, J. 1968. Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanism, and Structure. International Student Edition. Japan: McGraw-Hill, Inc.

Monajjemi, M, B. Honaparvar, B. Khalili, A.R. Iikhani, and F. Mollaamin. 2010. Thermo-Chemical Investigation and NBO Analysis of Some Anxileotic as Nano-Drugs. J Pharmacy and Pharmacology, 4(8): 521-529.

commit to user



Pettersen, E. F, T. D. Goddard, C.C. Huang, and G. S. Couch. 2004. UCSF Chimera – A Visualization System for Exploratory Research and Analysis. J. Comput. Chem., 25(13): pp.1605-1612. Pudjaatmaka, A. H. 1999. Kimia Organik. Jilid 2. Edisi Ketiga. Erlangga, Jakarta, Terjemahan: Organic Chemistry. Fessenden, R. J. & J. S. Fessenden. 1986. Wadsworth, Inc., USA. Rauk, A. 2001. Orbital Interaction Theory of Organic Chemistry. Second Edition. John Wiley & Sons,Inc., New York. Schaftenaar, G, and J. H. Noordik. 2000. Molden: A Pre- and Post-Processing Program for Molecular and Electronic Structures. J. Comput.-Aided Mol. Design, 14: pp. 123-134. Thiel, W. 2009. QM/MM Methodology: Fundamentals, Scope, and Limitations dalam J. Grotendorst, N. Attig, S. Blugel, D. Marx. Multiscale Simulation Methods in Molecular Sciences. Institute for Advanced Simulation, Forschungszentrum Julich. Wiman, K. G. 2010. Pharmacological Reactivation of Mutant P53: From Protein Structure to the Cancer Patient. Oncogene. 29: 4245–4252. Young, D. C. 2001. Computational Chemistry: A Practical Guide for Applying Techniques to Real-World Problems. John Wiley & Sons, Inc., New York.

commit to user


digilib.uns.ac.id

LAMPIRAN Lampiran 1. Perhitungan nilai ∆occupancy ikatan rangkap C-C MIRA-1 Nilai occupancy ikatan rangkap C-C MIRA-1 konfigurasi ke-0 konfigurasi ke(MIRA-1) 1 1,89117 2 1,88946 3 1,88669 4 1,88662 1,89096 5 1,88817 6 1,88714 7 1,88738 8 1,88749

commit to user 54

Nilai ∆occupancy ikatan rangkap C-C MIRA-1 0,00021 -0,00150 -0,00427 -0,00434 -0,00279 -0,00382 -0,00358 -0,00347

STUDI INTERAKSI ANTARA SISTEIN (220) PADA p53 DAN MIRA-1 MELALUI PENDEKATAN MEKANIKA KUANTUM NINDITA CLOURISA AMARIS SUSANTO

Recommend Documents