desain inhibitor karbonat anhidrase ii berbasis senyawa

ABSTRAK
DESAIN INHIBITOR KARBONAT ANHIDRASE II
BERBASIS SENYAWA BAHAN ALAM GOLONGAN
FENOLIK DAN SENYAWA ANALOG KURKUMIN
Oleh:
Reza Aditama
NIM: 30511012
(Program Studi Doktor Kimia)
Karbonat anhidrase II (CAII) adalah enzim yang memiliki aktivitas katalitik yang
sangat tinggi. Peran fisiologis utama CAII adalah mengkatalisis reaksi reversibel
hidrasi CO2 hasil proses metabolisme menjadi ion bikarbonat dan air. Selain itu,
enzim ini juga berperan dalam aktivitas regulasi pH tubuh, regulator elektrolit,
transpor air dan lainnya. Banyaknya proses fisiologis penting yang dilakukan oleh
CAII mengakibatan defisiensi maupun kelebihan enzim ini teridentifikasi sebagai
penyebab beberapa penyakit seperti glaukoma, osteopetrosis dan diabetes.
Glaukoma merupakan penyakit yang terkait dengan tingginya tekanan intraokular
pada mata yang dapat menyebabkan gangguan penglihatan bahkan kebutaan.
Tingginya tekanan intraokular adalah akibat dari tingginya aktivitas CAII dalam
menghidrasi CO2 sehingga menyebabkan kenaikan tekanan osmotik pada mata.
Penanganan penyakit tersebut biasanya dilakukan dengan penggunaan inhibitor
CAII. Senyawa sulfonamida seperti asetazolamida dan metazolamida merupakan
obat komersial untuk glaukoma yang memiliki kemampuan inhibisi yang tinggi
terhadap CAII. Akan tetapi, penggunaan inhibitor komersial ini diketahui
menimbulkan banyak efek samping, seperti penurunan berat badan, mual, pusing
dll. Oleh karena itu, pencarian inhibitor baru yang aman masih terus diupayakan.
Salah satu pendekatan yang sering digunakan untuk mencari inhibitor yang aman
adalah dengan memanfaatkan kerangka molekul berbasis senyawa bahan alam.
Pada penelitian ini digunakan dua kerangka senyawa bahan alam dalam upaya
mencari inhibitor alternatif CAII, yaitu senyawa golongan fenolik dan senyawa
analog kurkumin. Kedua kelompok senyawa ini memiliki kemiripan dalam
karakteristik strukturnya, yaitu sama-sama memiliki gugus hidroksil pada cincin
aromatiknya. Kedua jenis senyawa tersebut diketahui memiliki aktivitas antiinflamasi dan anti-kanker yang baik. Namun, penelitian mengenai potensi inhibisi
kedua golongan senyawa tersebut terhadap CAII masih belum banyak diteliti.
Oleh karena itu, pada penelitian ini dilakukan pencarian inhibitor CAII baru
berbasis senyawa bahan alam golongan fenolik dan senyawa analog kurkumin
yang memiliki kemampuan inhibisi cukup baik terhadap CAII.
i
Seleksi awal dilakukan dengan mengevaluasi potensi senyawa bahan alam
golongan fenolik sebagai inhibitor CAII. Dari 40 senyawa yang dievaluasi secara
in silico dengan metode docking diperoleh fisetin sebagai senyawa kandidat
inhibitor CAII terbaik dengan nilai fitness score sebesar 51,46. Dari studi in silico
ini diperoleh informasi bahwa molekul fisetin membentuk kompleks dengan ion
Zn2+ dan distabilkan pula oleh ikatan hidrogen dengan residu Asn67, Thr199 dan
Thr200. Analisis in silico lebih lanjut dengan simulasi dinamika molekul
menunjukkan interaksi CAII dengan residu Asn67 dan Thr200 tidak teramati
sedangkan interaksi fisetin dengan residu Thr199 masih teramati selama simulasi
dinamika molekul berlangsung.
Tahap seleksi awal dilanjutkan dengan mengevaluasi afinitas senyawa analog
kurkumin terhadap CAII. Dari 44 senyawa yang diteliti, didapatkan 6 buah
senyawa yang memiliki afinitas tinggi terhadap CAII. Keenam senyawa tersebut
kemudian diverifikasi secara eksperimen dengan menentukan nilai IC50 dari
masing-masing senyawa tersebut. Hasil uji inhibisi menunjukkan senyawasenyawa tersebut memiliki potensi inhibisi terhadap CAII dengan rentang nilai
IC50 antara 7,92±0,54 µM hingga 72,31±2,21 µM. Senyawa a1 atau (E)-3-((E)-2hydroxybenzylidene)-5-((2-hydroxyphenyl) methylene)piperidin-4-one memiliki
level aktivitas terbaik secara eksperimen yaitu dengan nilai IC50 7,92±0,54 µM.
Untuk mengetahui interaksi antara inhibitor a1 dengan CAII, pada penelitian ini
dilakukan analisis in silico dengan metode docking dan simulasi dinamika
molekul. Hasil docking memperlihatkan interaksi spesifik yang terjadi antara
senyawa a1 dan residu-residu pada pusat aktif CAII dengan fitness score sebesar
49,76. Gugus hidroksil pada posisi orto (R2) dan gugus NH pada posisi R1
berinteraksi melalui ikatan hidrogen dengan residu Gln92, Thr199 dan Thr200.
Interaksi antara a1 dengan residu Gln92 tidak teramati setelah dilakukan simulasi,
sedangkan interaksi Thr199 dan Thr200 cukup stabil setelah dievaluasi lebih
lanjut dengan simulasi dinamika molekul.
Untuk lebih mengoptimalkan kemampuan inhibisi dari senyawa-senyawa
kandidat yang telah diperoleh dari hasil seleksi, maka pada penelitian ini juga
dilakukan desain inhibitor baru dengan membuat turunan dari kedua senyawa
tersebut. Senyawa-senyawa kandidat inhibitor CAII (fisetin dan a1) dimodifikasi
strukturnya secara in silico dan hasil docking menunjukkan bahwa senyawa F12
hasil desain memiliki afinitas yang lebih baik terhadap CAII dibandingkan dengan
senyawa fisetin. Hal ini ditunjukkan dari adanya peningkatan fitness score dari
51,46 menjadi 55,95. Kehilangan interaksi dengan ion Zn2+ dikompensasi dengan
penambahan kekuatan interaksi terhadap residu Thr199 dan Thr 200 dan
penambahan kontribusi interaksi hidrofobik. Peningkatan fitness score juga
teramati pada senyawa 3-piperidinil-a1 serta 3,3’-diamin-a1 yang menunjukkan
afinitas yang lebih baik terhadap CAII apabila dibandingkan senyawa kandidat a1.
Hal ini terlihat dari fitness score kedua senyawa tersebut yang meningkat dari
49,76 menjadi 54,42 (3-piperidinil-a1) dan 54,89 (3,3’-diamin-a1). Peningkatan
afinitas 3-piperidinil-a1 didapatkan dari penguatan interaksi antara senyawa
desain dengan residu Thr199 dan Thr200, serta tambahan interaksi dengan ion
Zn2+. Sedangkan peningkatan afinitas 3,3’-diamin-a1 didapatkan dari penguatan
interaksi senyawa tersebut dengan residu Thr199 dan Thr200 tanpa melibatkan
interaksi kovalen dengan ion Zn2+.
ii
Penelitian ini memberikan kontribusi terhadap beberapa hal baru yaitu pencarian
dan pengembangan serta desain inhibitor CAII berbasis senyawa bahan alam
golongan fenolik dan senyawa analog kurkumin.
Kata kunci: karbonat anhidrase II (CAII), desain inhibitor, senyawa fenolik,
analog kurkumin
iii
ABSTRACT
DESIGN OF CARBONIC ANHYDRASE II INHIBITOR
BASED ON NATURAL PRODUCT COMPOUNDS FROM
PHENOLIC GROUP AND CURCUMIN ANALOGUES
By:
Reza Aditama
NIM: 30511012
(Doctoral Study Program in Chemistry)
Carbonic anhydrase II (CAII) is an enzyme with a supercatalytic activity. This
enzyme catalyzes a reversible reaction of CO2 into a bicarbonate ion and a water
molecule. It also play an important roles on many metabolism process in human
body such as regulation of body’s pH, electrolyte regulator, water transport
process, etc. Because of many physiological process involving CAII, the
deficiency or excess of this enzyme are closely related to several diseases such as
glaucoma, osteopetrosis and diabetes. Glaucoma is a disease associated to high
intraocular pressure in the eye that causes vision problem, even blindness. The
treatment of the glaucoma is usually performed using CAII inhibitors.
Sulfonamide compounds such as acetazolamide and methazolamide have been
used as commercial drugs to treat glaucoma. These compounds have been shown
to have strong inhibition activity against CAII. However, the use of these drugs
produces many side effects such as weight loss, nausea, dizziness, etc. Therefore,
the searches for novel inhibitor are still being carried out.
One of the common approaches to search a novel inhibitor is by using molecular
framework from natural products structure. In this study, phenolic compounds and
curcumin analogues are used in the search for the novel CAII inhibitor. These two
compounds have hydroxyl group at the aromatic ring. Both of phenolic and
curcumin compounds are known to have anti-inflammatory and anti-cancer
activity. However, research on the potential of inhibition of these compounds
against CAII still has not been explored yet. Hence, searching of novel CAII
inhibitor based on phenolic group and curcumin analogues that have inhibition
activity against CAII has been carried out on this study.
In this study, we have evaluated the potency of phenolic group to inhibit CAII.
Evaluation of 40 compounds from phenolic group with docking method showed
that fisetin was the best inhibitor candidate for CAII. Fitness score resulted from
the docking was 51.46. This fitness score indicates that fisetin has good affinity to
the CAII. Docking simulation shows that fisetin interacts with the Zn2+ ion and is
stabilized by hydrogen bonding from Asn67, Thr199 and Thr200. Further analysis
with molecular dynamics simulation showed that the interaction of fisetin with
iv
Asn67 and Thr200 was not observed, meanwhile the interaction of fisetin with
Thr199 residue was still observed during the simulation.
The screening of CAII inhibitors from curcumin analogues was also performed in
this study. From 44 curcumin analogues compounds, we found six curcumin
analogues that have high affinity against CAII with IC50 values within range of
7.92±0.54 µM to 72.31±2.21 µM. (E)-3-((E)-2-hydroxybenzylidene)-5-((2hydroxyphenyl)methylene)piperidine-4-one or a1 has the lowest IC50 value of
7.92±0.54 µM. Fitness score for a1 obtained from the docking simulation was
49.76. The interactions of a1 with CAII were occured between the hydroxyl group
at the ortho position (R2) and the NH group at the position R1 with Gln92, Thr199
and Thr200 residues. The interaction between a1 with Thr199 and Thr200
remained stable after being evaluated by molecular dynamics simulation,
meanwhile the interaction of a1 with Gln92 was not observed.
We have also successfully carried out the design of new inhibitors from phenolic
compounds and curcumin analogues. The structures of inhibitor candidates of
CAII (fisetin and a1) were modified in silico to produce better binding affinity to
the CAII. The designed compound (F12) has a better affinity against CAII
compared to fisetin. The fitness score of F12 produced from docking simulation
was increased from 51.46 to 55.95. The strenghtening interactions of F12 with
Thr199 and Thr200 compensate the missing interaction with Zn2+ ion. A similar
increase in the fitness score was also observed in 3-piperidinil-a1 and 3,3’diamin-a1, which showed better affinity against CAII compared to a1. The fitness
score of these compounds were increased from 49.76 to 54.42 and 54.89 for 3piperidinil-a1 and 3,3’-diamin-a1, respectively. The increased affinity of 3piperidinil-a1 is obtained from the strengthening interaction between the designed
compounds with Thr199 and Thr200 residues, as well as the additional interaction
with Zn2+ ion. On the other hand, the increased affinity of 3,3’-diamin-a1 gained
from the strengthening interaction with Thr199 and Thr200 residues without
involving covalent interaction with Zn2+.
This study contributes a new insight on the systematic search, development and
design of CAII inhibitors from phenolic groups and curcumin analogues.
Keywords: carbonic anhydrase II (CAII), the design of inhibitors, phenolic
compounds, curcumin analogues
v