I. Tujuan 1. 2. II. Mengoptimasi geometri senyawa calon obat dan memprediksi parameter fisikokimia untuk mempersiapkan data-data yang diperlukan untuk mencari persamaan HKSA. Mengolah data optimasi geometri dan prediksi parameter fisikokimia hingga mendapatkan persamaan HKSA yang valid dan mampu mendisain senyawa turunan baru berdasarkan persamaan HKSA tersebut Teori dasar Analisis Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas (HKSA) merupakan salah satu aplikasi dari kimia komputasi dan juga bagian yang dipelajari dalam bidang kimia medisinal. Dengan metoda analisis HKSA, senyawa yang akan disintesis dapat didesain terlebih dahulu berdasarkan hubungan antara sifat-sifat kimia serta fisik molekul dengan aktivitas biologisnya, dengan menggunakan hubungan tersebut, aktivitas teoritik suatu senyawa baru dapat diprediksi, dan dengan demikian fokus riset dapat dipersempit, biaya dan waktu pun dapat dihemat. HKSA bertujuan untuk menghubungkan struktur molekul dengan aktivitas atau sifat biologi yang menggunakan metode statistik. dengan A/S merupakan aktivitas atau sifat dan f merupakan fungsi yang tergantung pada struktur molekul atau deskriptor molekul. Aktivitas biologi dapat dinyatakan dalam log 1/C, Ki, IC50, ED50, EC50, log K, dan Km. Selain hubungan dengan aktivitas atau sifat biologis, HKSA juga dapat digunakan untuk menentukan sifat fisik dan sifat toksik suatu senyawa. Toksisitas senyawa biasa ditentukan secara kuantitatif dalam ukuran konsentrasi efektif (Effective Concentration, EC atau Effective Dose, ED), konsentrasi inhibisi (Inhibiton Concentration, IC) atau konsentrasi mematikan (Lethal Dose, LD). Metode Yang Digunakan Dalam Kajian HKSA: a. Metode Hansch Metode HKSA pertama dan yang paling terkenal adalah model yang diusulkan oleh Hansch yang menyatakan hubungan lipofilitas relatif dengan potensi biologi yang digabungkan dengan hubungan energi bebas linier (LFER) untuk model persamaan umum HKSA dalam konteks biologi (Topliss, 1983). Lebih jauh, Hansch menyatakan bahwa hubungan struktur kimia dengan aktivitas biologis (log 1/C) suatu turunan senyawa dapat dinyatakan secara kuantitatif melalui parameter-parameter sifat fisika kimia dari substituen yaitu parameter hidrofofobik (π), elektronik (σ), dan sterik (Es) yang terdapat pada molekul. 1 Dalam analisis Hansch parameter-parameter diperlakukan sebagai variabel bebas (prediktor) untuk menerangkan harga aktivitas biologis. Analisis regresimultilinear banyak digunakan dalammenurunkan koefisien model. Hansch mempelajari senyawa yang sudah mempunyai kerangka dengan variasi struktur terbatas pada gugus fungsional pada sisi yang spesifik. dengan menggunakan cara ini telah diterapkan dalam memprediksi pengaruh substituen dalam sejumlah besar uji biologi (Richon and Young, 2000). b. Metode Free-Wilson Free dan Wilson mengusulkan suatu model matematika untuk menaksir efek substituen tambahan dan untuk memperkirakan besar efek tersebut secara kuantitatif. Metode Free-Wilson digunakan jika cara kerja obat tidak diketahui, uji biologis lambat dari pada sintesis senyawa turunannya, dan atau sifat-sifat fisika kimia substituen tidak diketahui. Model ini didasarkan pada perkiraan bahwa masing-masing substituen pada struktur senyawa induk memberikan sumbangan tetap pada aktivitas bilogis. Perkiraan dasar pada model Free-Wilson adalah semua obat yang diuji harus mempunyai struktur induk sama dan substituen harus memberikan aktivitas biologis secara aditif dalam kedudukan yang sama dengan jumlah tetapan yang bebas dari ada atau tidaknya substituen. Keuntungan penggunaan model Free-Wilson dibanding model Hansch dalam studi HKSA antara lain adalah pengerjaannya yang cepat, sederhana dan murah; tidak memerlukan informasi tentang tetapan substituen seperti π, σ dan Es; lebih efektif terutama jika uji biologis lebih lambat dibanding sintesis senyawa turunan, dan jika tidak terdapat tetapan substituen (Seydel,1990). Kelemahan dari metoda ini adalah tak dapat digunakan untuk memperkirakan aktivitas yang di luar substituen yang digunakan dalam seperangkat data dengan cara ekstrapolasi persamaan regresi. Kelemahan dari metoda ini adalah tak dapat digunakan untuk memperkirakan aktivitas yang di luar substituen yang digunakan dalam seperangkat data dengan cara ekstrapolasi persamaan regresi. Salah satu pemanfaatan metode analisis ini yang bisa dilakukan adalah pengembangan senyawa antioksidan dan antiradikal. c. Metode HKSA-3D 2 Analisis HKSA tiga dimensi (3D) dikembangkan sebagai antisipasi permasalahan yang terdapat pada analisis Hansch, yaitu senyawa-senyawa enantiomer yang memiliki kuantitas kimia fisika sama tetapi aktivitas biologi berbeda. Ternyata diketahui bahwa efek stereokimia memegang peranan penting pada harga aktivitas biologis. Metode HKSA 3D menggunakan analisis perbandingan medan molekular atau Comparative Molecular Field Analysis (CoMFA). CoMFA dikembangkan sebagai pendekatan lain yang memasukkan bentuk deskriptor dalam HKSA. Metode ini berusaha menyusun suatu hubungan antara aktivitas biologi dan sifat sterik dan atau elektrostatik dari suatu seri senyawa. Metode CoMFA berdasarkan pada congeneric suatu seri molekul. Molekul-molekul tersebut terhampar sehingga strukturnya tumpang tindih dan berada pada konformasi dengan aktivitas optimum. Medan molekular masing-masing molekul kemudian dihitung dengan menempatkan molekul yang tumpang tindih dalam bentuk tiga dimensi. Parameter Sifat Kimia dan Fisika Dalam HKSA a. Parameter hidrofobik Koefisien partisi oktanol/air yang dinyatakan dalam log P merupakan standar kuantitas untuk menentukan sifat hidrofobik/hidrofilik suatu molekul. Parameter hidrofobik/hidrofilik adalah sifat yang sangat penting dalam aplikasi biomedis. Sebagai contoh aplikasinya adalah untuk memperkirakan distribusi obat dalam tubuh. Obat-obat yang bersifat hidrofobik dengan koefisien partisi tinggi akan terdistribusi pada kompartemen yang bersifat hidrofobik pula, misalnya lapisan lemak, sedangkan obat-obat yang bersifat hidrofilik dengan koefisien partisi rendah akan terdistribusi pada kompartemen hidrofilik, misalnya serum darah. Nilai log P dalam oktanol/air merupakan rasio logaritma konsentrasi zat terlarut dalam oktanol dengan konsentrasi zat terlarut dalam air. Secara matematis dituliskan dalam persamaan (5). b. Parameter elektronik Penggunaan struktur elektronik sebagai prediktor dalam studi HKSA cenderung disukai karena dapat ditentukan secara teoritik dan hasil yang diperoleh cukup memuaskan. Dalam hal ini, metode kimia kuatum dapat digunakan untuk meminimalkan energi potensial dalam struktur 3 molekul serta memperkirakan muatan atom, energi molekular orbital, dan deskriptor elektronik lainnya yang dapat menunjang studi HKSA. Postulat mekanika kuantum menjadi dasar perhitungan dalam kimia kuantum. Dalam kimia kuantum, sistem digambarkan sebagai fungsi gelombang yang dapat diperoleh dengan menyelesaikan persamaan Schrödinger. Persamaan ini terkait dengan sistem dalam keadaan stasioner dan energi sistem 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. Metode yang berdasarkan medan gaya molekular klasik dan metode kimia kuantum, masingmasing dapat digunakan untuk meminimalkan energi potensial struktur molekul. Kedua pendekatan tersebut dapat digunakan untuk perhitungan secara termodinamik dan momen dwi kutub tetapi hanya metode kimia kuantum yang dapat memperkirakan muatan-muatan atom, energi orbital molekul, dan beberapa deskriptor elektronik lainnya dalam studi HKSA. Metode kimia kuantum dapat diaplikasikan dalam HKSA dengan menurunkan deskriptor elektronik secara langsung dari fungsi gelombang molekular. c. Parameter sterik Parameter sterik yang sering digunakan dalam penelitian adalah berupa indeks topologi. Pada hampir setiap kasus, para kimiawan lebih memilih untuk menggunakan indeks topologi sebagai parameter sterik untuk melakukan evaluasi terhadap toksisitas dan untuk memprediksi aktivitas biologi. Hal ini karena indeks topologi menawarkan cara yang mudah dalam pengukuran cabang molekul, bentuk, ukuran, siklisitas, simetri, sentrisitas, dan kompleksitas. Topologi molekul dapat digunakan sebagai pengujian molekul numerik dalam HKSA atau HKSS. Indeks topologi menjelaskan bahwa suatu struktur kimia, disebut sebagai grafik kimia, yaitu suatu model kimia yang digunakan untuk menjelaskan sifat interaksi antara obyek-obyek kimia (atom, ikatan, gugusan atom, molekul, pasangan molekul, dan sebagainya). 4 III. Data pengamatan 1. Data senyawa yang dipakai 2. Nilai R dari perhitungan HKSA 1 dan deskriptor yang 5 3. terpilih nya LogIC50 = 24.943 +(2.558 x Eele)+(1.348 x LogP)+(0.129 x MD)+ (1.310 x entalpi) -(128 x MR)+(1.776 x LogS) (persamaan HKSA1 dari bagian f) 4. Kombinasi deskriptor untuk menemukan persamaan HKSA 2 ๏ท Kombinasi yang dipilih adalah kombinasi dari 5 deskriptor dengan nilai R=0.896 LogIC50 = 20.446+(1.842 x Eele)+(0.099 x MD)+ (1.323 x entalpi) -(0.078 x MR)+(1.251 x LogS) 5. Nilai dari LogIC50 prediksi 6 6. Plot LogIC50 prediksi dan Eksperimen Plot LogIC50 eksperimen dan LogIC50 prediksi 3,5 y = 0,9678x + 0,174 R² = 0,9277 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 7. Data senyawa yang di hilangkan LogIC50=27.573+(2.614 x eEle)+(0.064 x MD)+(1.634 x Entalpi )+(-0.103 x MR)+(1.757 x Log S) (persamaan hksa III) 8. Validasi persamaan HKSA 7 ๏ท Nilai R (syarat : Nilai R < 0.9) ๏ท Nilai Fhitung/Ftabel (syarat hasil dari Fhitung/Ftabel > 1) ๐นโ๐๐ก๐ข๐๐/๐น๐ก๐๐๐๐ = ๏ท 8.276 = 2.0838 3.971523 Nilai ๐ 2 dari persamaan (syarat q2 > 0.5 ) 9. Pembuatan senyawa baru 8 3,4-difluoro-2-((2-fluoro-4-iodophenyl)amino)-6-((phenethylthio)methyl)benzamide Tampilan 2 dimensi struktur 3d Entalpi=H=Eele+Thermal correction to Enthalpy =-0.05144 + 0.413245 = 0.3618 LogIC50=27.573+(2.614 x -0.5144360)+(0.064 x 4.1628)+(1.634 x 0.3618 )+(-0.103 x 137.32)+(1.757 x -10.17) = -3.70723559 (perhitungan LogIC50 dari senyawa baru) 9 IV. Pembahasan Pada penelitian ini, dilakukan studi Hubungan Kuantitatif Struktur dan Aktivitas (HKSA) pada senyawa turunan benzamida untuk mencari hubungan antara sifat-sifat molekuler (deskriptor) dengan aktivitas biologisnya sebagai inhibitor MEK secara alosterik. Deskriptor digunakan sebagai parameter terseleksi dalam mengkaji sifat-sifat molekul. Penelitian ini bertujuan mendapatkan persamaan HKSA yang valid yang selanjutnya digunakan untuk desain senyawa baru berbasis benzamida. Pada setiap dari 15 senyawa, dilakukan optimasi geometri menggunakan perangkat lunak Gaussian 09 dengan metode semi empiris Austin-Model 1 (AM1). Selanjutnya pada setiap struktur senyawa yang telah dioptimasi dilakukan perhitungan nilai desktiptor menggunakan perangkat lunak Molecular operating environment .Adapun deskriptor yang digunakan dalam penelitian ini adalah momen dipol (MD), energi elektronik (Eele), panas pembentukan (HF), energi HOMO/Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO), energi LUMO/Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO), polaritas atom total (Apol)), kelarutan dalam air (Log S), koefisien partisi (Log P), refraktivitas molar (Mr), dan energi trmal. Pemilihan ke-15 deskriptor tersebut dilakukan dengan mempertimbangkan sifat elektronik, sifat hidofobisitas, dan sifat sterik senyawa, yang ketiganya menentukan farmakokinetika dan farmakodinamika obat. 10 Model HKSA dibangun dengan menggunakan analisis regresi multi linear dengan bantuan perangkat lunak SPSS versi 14. Model HKSA menghubungkan deskriptor sebagai variabel bebas (X) dan nilai pIC50 aktivitas penghambatan sebagai variabel terikat. Validitas model HKSA diuji dengan kriteria statistik, seperti koefisien korelasi (R 2 ), nilai F, dan nilai standard error of estimate. Menurut model HKSA di atas, aktivitas penghambatan senyawa dipengaruhi oleh deskriptor energi elektronik (E_ele); koefisien partisi (Log P); refraktivitas molar (Mr); moment dipol(MD) Dan entalpi (H) validasi internal juga dilakukan dengan metode leave-one-out (LOO) cross validation dengan menghitung nilai koefisien validasi silang tersebut (q 2 ). Pada metode LOO, setiap senyawa dalam training set dieliminasi dan aktivitas biologisnya diprediksi menggunakan persamaan yang dibuat dari senyawa lain dalam training set. Dalam data Model HKSA tersebut telah memenuhi beberapa kriteria statistik, yaitu nilai koefisien validasi silang q 2 sebesar 0.99757; nilai R 2 sebesar 0.977; Fhitung/Ftabel= 2.0838, yang mengindikasikan bahwa model tersebut valid Desain senyawa baru dilakukan dengan cara penambahan subtituen pada senyawa induk dari benzamida, rantai samping di ambil dali sekema topillis. Dari persamaan HKSA yang telah divalidasi dapat dihitung dari senyawa baru yang dibuat hasil dari logIC50 nya adalah -3.707 (IC50=0.00019623). V. Kesimpulan Pada penelitian ini telah dibangun sebuah model HKSA valid yang menghubungkan struktur kimia senyawa turunan benzamida, Desain senyawa baru menggunakan model HKSA tersebut diperoleh 1 senyawa baru dengan aktivitas prediksi yang lebih baik dari senyawa induk. DAFTAR PUSTAKA 1. MEK, M. E. K. (2018). Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas (HKSA) dan Penambatan Molekul 2. 3. Senyawa Turunan Benzamida sebagai Inhibitor Alosterik Mitogen Enhanced Kinase (MEK) Quantitative Structure-Activity Relationship (QSAR) and Molecular Docking Studies of Benzamide Derivatives as Allosteric Inhibitor of. Saputra, A., Syahputra, R. A., & Tahir, I. (2013). Aplikasi regresi komponen utama untuk analisis hubungan kuantitatif struktur-aktivitas antikanker senyawa turunan naftoquinon. Molekul, 8(2), 111-122. Mustofa, M., Tahir, I., & Jumina, J. (2002). QSAR study of 1, 10-phenanthroline derivatives as the antimalarial compounds using electronic descriptors based on semiempirical AM1 calculation. Indonesian Journal of Chemistry, 2(2), 91-96. 11
