Simulasi Docking Molekular Senyawa Santorizol

IJPST
Volume 1, Nomor 1, Juni 2014
Simulasi Docking Molekular Senyawa Santorizol Sebagai
Antiinflamasi Terhadap Enzim COX-1 dan COX-2
Deden Indra Dinata1, Hardhi Suryatno1, Ida Musfiroh2
1
Sekolah Tinggi Farmasi Bandung
2
Fakultas Farmasi Universitas Padjadjaran
[email protected]
Abstrak
Enzim yang mempengaruhi proses inflamasi yaitu enzim COX-1 dan COX-2,
kedua enzim tersebut berfungsi dalam pembentukan prostaglandin yang
berkontribusi dalam pembentukan inflamasi. Santorizol diketahui mempunyai
efek antiinflamasi sehingga dapat dilakukan uji simulasi docking xanthorrizol
terhadap enzim COX-1 dan COX-2. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui
interaksi senyawa santorizol yang berasal dari tanaman temulawak (Curcuma
xanthorriza) dengan sisi aktif enzim COX-1 dan COX-2. Proses docking senyawa
tersebut dilakukan menggunakan software Autodock 3.0. Hasil docking molekular
antara santorizol dengan COX-1 yaitu atom O pada santorizol berinteraksi dengan
Arg120 dan Tyr355. Sedangkan interaksi santorizol dengan COX-2 yaitu gugus
OH dari santorizol berinteraksi dengan asam amino Gln178 dan Leu338. Leu338
merupakan salah satu asam amino spesifik pada kantung ikatan COX-2. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa santorizol dapat berinteraksi dengan sisi aktif
enzim COX-1 dan COX-2, dan memiliki afinitas yang lebih tinggi untuk berikatan
pada sisi aktif COX-2 dibandingkan pada COX-1.
Kata Kunci: Docking, santorizol, antiinflamasi, COX-1, COX-2
Molecular Docking Simulation of Xanthorrizol Compounds Derived From
Temulawak as Antiinflammatory on Enzymes COX-1 AND COX-2
Abstract
There are two enzymes that influence inflammatory process, which are COX-1
and COX-2 enzymes, both of this enzymes have function in the establishment of
prostaglandin that contribute in inflammation. Santorizol is known has antiinflammatory effect, so it can developed and tested by docking simulation to
COX-1 and COX-2 enzymes. The aim of this research is to determine the
interaction between santorizol that is derived from temulawak (Curcuma
xanthorriza) with the active site of COX-1 and COX-2 enzymes. Docking
simulation was done by using AutoDock Tools 4.0. The interactions between
santorizol with COX-1 are O- santorizol interact with Arg120 and Tyr355. The
interactions between santorizol with COX-2 are OH-santorizol interact with
Gln178 and Leu338. Leu338 is specific amino acid in the binding pocket of COX2. Santorizol can interact with the active site of COX-1 and COX-2 enzymes, and
show better affinity to COX-2.
Keywords: Docking, santorizol, antiinflamasi, COX-1, COX-2
8
IJPST
Volume 1, Nomor 1, Juni 2014
Pendahuluan
Pada awal perkembangan obat,
usaha penemuan obat baru pada
umumnya bersifat coba-coba (trial
and
error)
sehingga
biaya
pengembangan obat baru sangat
mahal. Hal ini dapat dipahami
mengingat bahwa dari 8.000 hingga
10.000 senyawa baru yang disintesis
atau yang didapat dari sumber alam,
setelah melalui berbagai uji kimia,
fisika, aktivitas, farmakokinetik,
toksisitas, farmakodinamik, dan uji
klinik, kemungkinan hanya satu
senyawa yang secara klinik dapat
digunakan sebagai obat.1
Waktu yang dibutuhkan, mulai
dari proses sintesis atau ekstraksi,
penapisan
farmakologi,
sampai
evaluasi klinik dan persetujuan
pendaftaran, memakan waktu lebih
kurang 10 tahun. Hal tersebut juga
disebabkan oleh ketatnya peraturanperaturan untuk obat baru untuk
diijinkan dipasarkan. Ini berarti
bahwa agar perkembangan obat baru
tetap layak secara ekonomi, perlu
terobosan pemikiran yang mendasar
bagaimana melakukan penelitian
dengan sejumlah kecil senyawa yang
terpilih, dan bagaimana merancang
senyawa dengan baik.1
Untuk
mengatasi
masalah
kekurangan dalam pengembangan
obat baru sudah mulai mengurang
dengan adanya teknik penemuan
obat baru melalui studi komputasi,
adalah
cabang
kimia
yang
menggunakan hasil kimia teori yang
diterjemahkan ke dalam program
komputer untuk menghitung sifatsifat molekul dan perubahannya
maupun
melakukan
simulasi
terhadap
sistem-sistem
besar
(makromolekul seperti protein dan
asam nukleat) dan sistem besar bisa
mencakup
kajian
konformasi
molekul dan perubahannya (misalnya
proses denaturasi protein), perubahan
fase, serta peramalan sifat-sifat
makroskopik (seperti kalor jenis)
berdasarkan perilaku di tingkat atom
dan molekul . Istilah kimia teori
dapat didefinisikan sebagai deskripsi
matematika untuk kimia, sedangkan
kimia komputasi biasanya digunakan
ketika
metode
matematika
dikembangkan dengan cukup baik
untuk dapat digunakan dalam
program komputer. Metode kimia
komputasi tidak sepenuhnya dapat
bisa di gunakan secara langsung,
kimia komputasi dapat memprediksi
bukan berarti dapat digunakan secara
langsung, karena sedikit sekali aspek
kimia yang dapat dihitung secara
tepat. Hampir semua aspek kimia
dapat digambarkan dalam skema
komputasi kualitatif atau kuantitatif.1
Santorizol merupakan komponen
minyak
atsiri
dari
rimpang
temulawak. Santorizol diketahui
memiliki aktivitas antiinflamasi.2
Inflamasi adalah suatu respon
organisme terhadap invasi oleh
benda asing, seperti bakteri, parasit
dan virus. Dalam konteks ini, respon
inflamasi merupakan suatu reaksi
protektif yang penting terhadap
iritasi, luka, atau infeksi, yang
ditandai dengan kemerahan, rasa
panas, bengkak, hilangnya fungsi
dan rasa sakit.3 PGs (prostaglandin)
merupakan suatu mediator endogen
inflamasi dan dibentuk dari asam
arakidonat oleh enzim konstitutif
COX-1 dan enzim indusibel COX-2.
Enzim COX-1 merupakan enzim
konstitutif yang dapat mengkatalisis
9
IJPST
Volume 1, Nomor 1, Juni 2014
pembentukan prostanoid regulatoris
pada berbagai jaringan, terutama
pada
selaput
lendir
traktus
gastrointestinal, ginjal, platelet dan
epitel pembuluh darah.4,5,6
Sedangkan,
COX-2
tidak
konstitutif tetapi dapat diinduksi,
antara lain bila ada stimulus
inflamasi,
mitogenesis
atau
7, 8
onkogenesis.
Struktur santorizol mempunyai
satu cincin aromatik yang dapat
menimbulkan interaksi hidrofobik
dengan reseptor dan satu gugus
hidroksil yang dapat menjadi donor
dan akseptor ikatan hydrogen.
Interaksi santorizol dengan enzim
COX-1
dan
COX-2
belum
dilaporkan.
Tujuan penelitian
ini untuk
mengetahui afinitas dan interaksi
senyawa santorizol terhadap enzim
COX-1 dan COX-2, mengetahui
ikatan hidrogen yang terbentuk
antara santorizol dengan enzim
COX-1
dan
COX-2,
serta
mengetahui selektivitas santorizol
dengan enzim COX-1 dan COX-2
dengan metode simulasi docking
molekular.
protein yang telah dikristalografi
yang diperoleh dari www.pdb.com.
Analisis kantung ikatan COX-1
melalui redocking
a. Persiapan reseptor
Persiapan reseptor enzim
COX
dilakukan
dengan
pengunduhan enzim COX
melalui
website
www.pdb.org
kode PDB:
1EQG.8
b. Isolasi
ligan (kristal)
ibuprofen
c. Analisis binding site
Analisis binding site pada
tahap ini ditujukan untuk
melihat interaksi ibuprofen
dengan enzim COX-1
d. Re- ligan ibuprofen pada
COX-1
e. Analisis hasil docking dan
visualiasi hasil docking
Analisis kantung ikatan enzim
COX-2 melalui redocking
a. Persiapan reseptor
Persiapan reseptor enzim
COX-2 dilakukan dengan
pengunduhan enzim COX
melalui
website
www.pdb.org kode PDB:
3LN1.9
b. Isolasi ligan alami celecoxib
c. Analisis binding site
Analisis binding site pada
tahap ini ditujukan untuk
melihat interaksi celecoxib
dengan enzim COX-2, dan
pada tahap ini kita dapat
mengetahui residu asam
amino kantung ikatan enzim
COX-2 .
d. Re-docking ligan celecoxib
pada COX-2
Metode
Alat
Perangkat lunak : ChemDraw
versi 8, Hyperchem versi 7, PDB
viewer, ArgusLab, dan Autodock 4.7
Bahan
Bahan-bahan yang digunakan
dalam penelitian ini adalah struktur
ligan yang telah digambar melalui
perangkat lunak ChemDraw versi 8,
optimasi struktur menggunakan
software HyperChem v 7. Struktur
10
IJPST
Volume 1, Nomor 1, Juni 2014
e. Analisis hasil docking dan
visualisasi.
file berformat *.pdb lalu kita
docking terhadap kantung
COX-1 dan COX-2
Docking senyawa santorizol pada
kantung ikatan COX-1 dan COX-2
a. Penyiapan ligan santorizol
menggunakan program chem
Hasil
draw untuk membuat ligan
santorizol dalam bentuk dua
Pada Tabel 1 menunjukkan hasil
dimensinya dalam format
validasi kantung ikatan enzim COX*.mol,
kemudian
hasil
1 (kode pdb : 1EQG) melalui resenyawa santorizol yang telah
docking ligan alami ibuprofen.
kita buat dibuka pada
Parameter docking dipilih dengan
program HyperChem dan
jumlah run 50, grid box 60³Å. Hasil
tambahkan rantai hidrogen
redocking ibuprofen dengan enzim
kemudian
energi semiCOX-1 yaitu ; Energi Docking = empirical
dipilih
dan
10.01 kkal/mol, Konstanta Inhibisi =
digunakan AM1. Optimasi
2.8 µM dan RMSD = 0.789 Å, residu
geometrinya dengan polakasam amino yaitu Ala527, Arg120,
ribiere lalu save dengan
Gly526, Ile532, Met522, Phe518,
format *.hin, hasil ligan yang
Ser353, Try355, Val116, Val349.
telah di optimasi convert
Ikatan hidrogen (Gambar 3) yang
menjadi file *.pdb dengan
terbentuk antara ibuprofen dengan
program Arguslab.
enzim COX-1 adalah Arg120 dengan
b. Docking santorizol pada
jarak 1.601 Å dan 1.705 Å; Tyr355
kantung ikatan COX-1 dan
dengan
jarak
1.730
Å.
COX-2. Setelah senyawa
santorizol telah dibuat dalam
.
Tabel 1 Hasil validasi docking ibuprofen dengan enzim COX-1 kode pdb 1EQG.
Run
50
Grid (ų)
60
ED
(Kkal/mol)
-10,01
Ki
(µM)
2.8
RMSD
(Å)
Residu aa
0.789
Ala527, Arg120, Gly526,
Ile532, Met522, Phe518,
Ser353, Try355, Val116,
Val349
ED = Energi Docking, Ki = Konstanta inhibisi, RMSD = Root mean square
deviation, Residua aa = Residu asam amino
11
IJPST
Volume 1, Nomor 1, Juni 2014
Gambar 1 Ikatan hidrogen yang terbentuk antara Ibuprofen dengan enzim COX-1
Pada Tabel 2 merupakan hasil
re-docking ligan alami celecoxib
(gambar 4) terhadap enzim COX-2(
kode pdb 3LN1) dengan parameter
terpilih yaitu jumlah run 50, grid box
yang digunakan 60³ dengan spasi
0,375 Å, menghasilkan data dengan
Energi Docking = -12.96 kkal/mol,
Konstanta inhibisi = 14.07 µM,
RMSD = 1.008 Å dengan residu
asam amino yang berikatan yaitu
His75, Arg106, Gln178, Val335,
Leu338, Ser339, Try341, Leu345,
Leu370, Trp373, Arg499, Ala502,
Ile503, Phe504, Met508, Val509,
Gly512, Ala513. Ikatan hidrogen
(Gambar 4) yang terbentuk pada saat
validasi adalah His75 dengan jarak
2,386 Å; Ser339 dengan jarak 3,476
Å; Leu338 dengan jarak 3,986 Å.
Tabel 2 Hasil validasi docking celecoxib dengan enzim COX-2 kode pdb 3LN1
Run
50
Grid (ų)
60
ED
(Kkal/mol)
-12.96
Ki
(µM)
14.07
12
RMSD
(Å)
Residu aa
1.008
His75, Arg106, Gln178,
Val335, Leu338, Ser339,
Try341, Leu345, Leu370,
Trp373, Arg499, Ala502,
Ile503, Phe504, Met508,
Val509, Gly512, Ala513
IJPST
Volume 1, Nomor 1, Juni 2014
Gambar 2 Ikatan hidrogen yang terbentuk antara celecoxib dengan COX-2
Setelah
dilakukan
validasi
kantung ikatan melalui re-docking,
kemudian
dilakukan
docking
senyawa santorizol pada kantung
ikatan enzim COX-1 dan COX2.
Hasil docking senyawa uji santorizol
terhadap COX-1 (Gambar 5)
menunjukkan residu asam amino
yang berinteraksi yaitu Val116,
Arg120, Val349, Leu352, Ser353,
Tyr355, Phe381, Leu384, Tyr385,
Trp387, Phe518, Met522, Ile523,
Gly526, Ala527, Ser530, Leu531.
Sedangkan, ikatan hidrogen terjadi
dengan asam amino Arg120 dengan
jarak ikatan 2,02 A ⁰, dan Tyr355
dengan jarak ikatan 1,92 A ⁰. Energi
Docking
=
-8.85
kkal/mol,
Konstanta inhibisi = 1.63 µM (Tabel
3).
Tabel 3 Hasil docking santorizol dengan enzim COX-1 kode pdb 1EQG
ED
(Kkal/mol)
-8.85
Ki
(µM)
Residu aa
1.63
Tyr385, Trp387,
Phe518, Met522,
Ile523, Gly526,
Ala527, Ser530,
Leu531
13
Ikatan hidrogen
Arg120 (2.019 A⁰)
Tyr355 (1.917A⁰)
IJPST
Volume 1, Nomor 1, Juni 2014
Gambar 3 Ikatan hidrogen yang terbentuk pada docking senyawa santorizol yang
berikatan dengan COX-1
Hasil
docking
senyawa
santorizol terhadap COX-2 (Tabel 4)
menunjukkan residu asam amino
yang berinteraksi yaitu : His75,
Gln178, Val335, Leu338, Ser339,
Phe367, Leu370, Tyr371, Trp373,
Arg499, Ala502, Ile503, Phe504,
Met508, Val509, Gly512, Ala513.
Sedangkan ikatan hidrogen (gambar
6) yang terbentuk antara lain Gln178
dengan
jarak 2.060 Å; Leu338
dengan jarak 2.065 Å. Energi
Docking
=
-10.11
kkal/mol,
Konstanta inhibisi = 0.295 µM
(Tabel 8).
Tabel 4 Hasil docking santorizol dengan enzim COX-2.
ED
(Kkal/mol)
-10.11
Ki
(µM)
Residu aa
0.295
His75, Gln178, Val335,
Leu338, Ser339,
Phe367, Leu370,
Tyr371, Trp373,
Arg499, Ala502,
Ile503, Phe504,
Met508, Val509,
Gly512, Ala513
14
Ikatan hidrogen
Gln178 (2.060 Å).
Leu338 (2.065 Å)
IJPST
Volume 1, Nomor 1, Juni 2014
Gambar 4 Ikatan hidrogen yang terbentuk pada docking senyawa santorizol yang
berikatan dengan COX-2
Leu338 dengan jarak 3.986 Å pada
atom N.
Hasil docking senyawa uji
santorizol
terhadap
COX-1
menunjukkan residu asam amino
Val116, Arg120, Val349, Leu352,
Ser353, Tyr355, Phe381, Leu384,
Tyr385, Trp387, Phe518, Met522,
Ile523, Gly526, Ala527, Ser530,
Leu531 dan ikatan hidrogen dengan
asam amino Arg120, Tyr355 dengan
jarak ikatan 2.02, 1.92 Å dan Energi
Bebas Ikatan -7.89 kkal/mol,
Konstanta Inhibisi 1.63 µM (Tabel
3).
Hasil analisis interaksi santorizol
dengan enzim COX-1 menunjukkan
bahwa adanya ikatan hidrogen yang
kuat antara santorizol dengan
kantung ikatan COX-1 tetapi residu
asam amino yang berikatan berbeda
dengan ibuprofen, interaksi pada
ibuprofen didapatkan residu asam
amino Ala527, Arg120, Gly526,
Ile532, Met522, Phe518, Ser353,
Try355, Val116, Val349 pada
senyawa santorizol hasil residu asam
amino yang didapat adalah Val116,
Arg120, Val349, Leu352, Ser353,
Tyr355, Phe381, Leu384, Tyr385,
Pembahasan
Pada Tabel 1 menunjukkan hasil
validasi kantung ikatan enzim COX1 (kode pdb : 1EQG) melalui redocking ligan alami ibuprofen.
Parameter docking yang dipilih run
50, grid box 60³ dengan spasi 0,375
Å. Hasil docking ibuprofen (Gambar
3) dengan enzim COX-1 yaitu ;
Energi Bebas Ikatan = -8.94
kkal/mol, Konstanta Inhibisi = 2.8
µM dan RMSD = 0.789 Å. Ikatan
hidrogen (Gambar 3) yang terbentuk
antara ibuprofen dengan enzim
COX-1 adalah Arg120 dengan jarak
1.601 Å pada atom O dan 1.705 Å
pada atom C; Tyr355 dengan jarak
1.730 Å pada atom C.
Hasil docking ligan alami
celecoxib terhadap enzim COX-2
kode pdb 3LN1 dengan variasi run
50 grid box yang digunakan 60³Å,
menghasilkan data dengan Enegi
Bebas Ikatan = -10.71 kkal/mol,
Konstanta Inhibisi = 14.07 µM,
RMSD = 1.008 Å. Ikatan hidrogen
(Gambar 4) yang terbentuk pada saat
validasi adalah His75 dengan jarak
2.386 Å pada atom N; Ser339
dengan jarak 3.476 Å pada atom N;
15
IJPST
Volume 1, Nomor 1, Juni 2014
Trp387, Phe518, Met522, Ile523,
Gly526, Ala527, Ser530, Leu531.
Hasil tersebut menunjukkan
bahwa santorizol mampu berinteraksi
dengan residu asam amino penting
pada kantung ikatan COX-1.
Meskipun terdapat perbedaan jenis
residu asam amino yang berikatan
dengan ibuprofen, namun ikatan
hidrogen yang terbentuk (gambar 5)
antara lain Tyr335 dengan jarak
1.917 Å pada atom O; Arg120
dengan jarak 2.019 Å yang
merupakan residu asam amino
penting pada sisi aktif enzim COX-1,
menunjukkan
bahwa
senyawa
santorizol
memiliki
aktivitas
antiinflamasi dengan menghambat
enzim COX-1.
Hasil docking senyawa santorizol
terhadap
COX-2
menunjukkan
residu asam amino yang berinteraksi
antara lain : His75, Gln178, Val335,
Leu338, Ser339, Phe367, Leu370,
Tyr371, Trp373, Arg499, Ala502,
Ile503, Phe504, Met508, Val509,
Gly512, Ala513. Ikatan hidrogen
yang terbentuk antara lain dengan
Gln178 dengan jarak 2.06 Å; Leu338
dengan jarak 2.07 Å; Energi docking
-10.11 kkal/mol, dan Konstanta
inhibisi 0.295 µM (Tabel 4). Hasil
tersebut
menunjukkan
bahwa
santorizol dapat berikatan dengan
residu asam amino penting pada
kantung ikatan COX-2 (Leu338)
sebagaimana
ikatannya
dengan
celecoxib.
berikatan dengan kantung ikatan
COX-1 dan COX-2, namun lebih
selektiv terhadap COX-2 dengan
nilai energi docking yang lebih kecil
dibandingkan pada interaksinya
terhadap COX-1.
Daftar Pustaka
1. Siswandono; Soekardjo, B.,
2000. Kimia Medisinal Jilid 1.
Pengembangan Obat. Surabaya:
Airlangga University Press, 1-28;
313-336.
2. Chol
Seung
Lim, Da-Qing
Jin, Hyejung Mok, Sang Jin
Oh, Jung Uk Lee, Jae Kwan
Hwang, Ilho Ha, Jung-Soo Han,
Antioxidant
and
antiinflammatory activities of
santorizol
in
hippocampal
neurons and primary cultured
microglia, J Neurosci Res. 2005
Dec 15;82(6):831-8.
3. McAdam, B.F., Lawson, F.C.,
Mardini, I.A., Kapoor, S.,
Lawson, J.A., Fitzgerald, G.A.,
1999. Systemic Biosynthesis of
Prostacyclin
by
Cyclooxygenase (COX-2): The
Human
Pharmacology
of
Selective Inhibitor of COX-2.
Proc Natl Acad Sci, 96(1):272277.
4. McAdam, B.F., Lawson, F.C.,
Mardini, I.A., Kapoor, S.,
Lawson, J.A., Fitzgerald, G.A.,
1999. Systemic Biosynthesis of
Prostacyclin
by
Cyclooxygenase (COX-2): The
Human
Pharmacology
of
Selective Inhibitor of COX-2.
Proc Natl Acad Sci, 96(1):272277.
5. Rajakariar, R., Yaqoob, M.M.,
Gilroy, D.W., 2006. COX-2 in
Simpulan
Santorizol memiliki aktivitas
sebagai
antiinflamasi
yang
ditunjukkan dari hasil docking
senyawa santorizol terhadap enzim
COX-1 dan COX-2. Santorizol dapat
16
IJPST
Volume 1, Nomor 1, Juni 2014
Inflammation and Resolution.
Mol interv, 6(4):199-207.
6. Zimmermann, K.C., M. Sarbia,
K. Schror, A.A. Weber., 1998.
Constitutive cyclooxygenase-2
expression in healthy human and
rabbit gastric mucosa. Mol
Pharmacol, 54(3):536-540.
7. Garrett M. Moris., 5 Nov 2012.
User guide AutoDock ver 4.2.
Automated Docking of Flexible
Ligands to Flexible Receptors :
1-11.
dependent and time-independent
inhibitors elicit identical enzyme
conformations, Biochem, 2001
May 1;40(17):5172-80.
9. Wang JL, Limburg D, Graneto
MJ, Springer J, Hamper JR, Liao
S, Pawlitz
JL, Kurumbail
RG, Maziasz T, Talley JJ, Kiefer
JR, Carter
J,
The
novel
benzopyran class of selective
cyclooxygenase-2 inhibitors. Part
2: the second clinical candidate
having a shorter and favorable
human half-life. Boorg. Med.
Chem. Lett. 2010, (20): 715971632010
8. Selinsky BS, Gupta K, Sharkey
CT, Loll PJ, Structural analysis
of
NSAID
binding
by
prostaglandin H2 synthase: time-
17