LAPORAN PRAKTIKUM DESAIN PENGEMBANGAN OBAT PEMODELAN FARMAKOFOR
Hari, Jam Praktikum Praktikum : Selasa, 10.00-13.00 WIB Tanggal Praktikum
: 31 Oktober 2017
Assisten
: 1. Nur Alfi 2. Avani Chairunnisa
Disusun Oleh : AYU APRILIANI 260110140078
LABORATORIUM ANALISIS FARMASI DAN KIMIA MEDISINAL FAKULTAS FARMASI UNIVERSITAS PADJADJARAN JATINANGOR 2017
I.
Tujuan :
Membuat dan menentukan farmakofor dari suatu kompleks ligan-protein di Data Bank dengan menggunakan software ligan-protein s outh.
II.
Prinsip :
1. Farmakofor Farmakofor adalah susunan geometris yang penting dari suatu atom atau gugus fungsi yang diperlukan untuk menghasilkan respons biologis tertentu sehingga dapat dikatakan bahwa farmakofor merupakan bagian penting dari suatu obat. Farmakofor bekerja dengan cara berikatan dengan molekul ligan untuk berinteraksi dengan target reseptor di tempat pengikatan tertentu (Dror et al., 2009).
2. Ligan Ligan merupakan senyawa aktif yang terikat pada asam-asam amino suatu protein dan dapat berupa molekul organik contohnya adalah kurkumin, tetrasiklin, quercetin dll. Adapun reseptor merupakan molekul tempat terikatnya ligan, umumnya memiliki ukuran molekul yang besar, contohnya adalah enzim dan protein (Syahputra, 2015).
3. High-throughput screening (HTS) High Throughput Screening (HTS) merupakan suatu metode yang digunakan untuk pengolahan dataset dalam pengujian aktivitas biologi atau aktivitas biokimia senyawa besar seperti protein atau gen dengan waktu pengujian yang singkat ( Wang et al., 2012).
III.
Teori Dasar
Farmakofor merupakan posisi geometrik tiga dimensi dari gugus-gugus yang terdapat di dalam suatu ligan yang membentuk suatu pola yang unik yang dapat dikenali oleh reseptor secara spesifik yang bertanggung jawab terhadap proses pengikatan ligan dengan suatu reseptor dan aktivasi reseptor tersebut (Thomas, 2009). Terdapat beberapa macam fitur farmakofor yang biasa digunakan, yaitu diantaranya adalah donor ikatan hidrogen, akseptor ikatan hirogen, hidrofobik, dan area-area yang terionisasi negatif maupun positif. Sebuah fitur farmakofor menggambarkan sebuah sifat tertentu dan tidak terikat hanya oleh suatu gugus tertentu saja. Dengan demikian, gugus-gugus yang mempunyai sifat yang sama akan mempunyai fitur farmakofor yang sama (Winston dan Wayne L., 2014) Pemodelan farmakofor dapat digunakan untuk melakukan skrining senyawa-senyawa dengan fitur-fitur tertentu secara cepat, docking molekuler merupakan metode yang dapat memprediksi interaksi antara ligand dengan reseptornya, sedangkan QSAR merupakan metode yang dapat memprediksi aktivit as biologis suatu senyawa berdasarkan parameter fisika-kimia yang dimiliki oleh senyawa tersebut. Dengan menggabungkan pemodelan farmakofor, docking molekuler, dan QSAR maka diharapkan akan memberikan hasil yang lebih baik daripada penggunaan docking molekuler secara tu nggal (Abbaspour dkk., 2014) Tujuan dari skrining virtual adalah untuk menemukan dan mengidentifikasi senyawa yang baru ( novel) dan mempunyai aktivitas poten terhadap target yang dituju. Oleh karena itu, salah satu keberhasilan skrining virtual ditunjukkan dengan ditemukannya senyawa-senyawa dengan kerangka struktur yang baru dan menarik. Hit rate yang rendah yang terdiri atas senyawa-senyawa dengan kerangka struktur
yang baru dan menarik lebih disukai daripada hit rate yang tinggi tetapi berisi senyawa-senyawa dengan kerangka struktur yang telah diketahui (Costa, 2012).
Terdapat beberapa macam fitur farmakofor yang biasa digunakan, yaitu diantaranya adalah donor ikatan hidrogen, akseptor ikatan hirogen, hidrofobik, dan area-area yang terionisasi negatif maupun positif. Sebuah fitur farmakofor menggambarkan sebuah sifat tertentu dan tidak terikat hanya oleh suatu gugus tertentu saja. Dengan demikian, gugus-gugus yang mempunyai sifat yang sama akan mempunyai fitur farmakofor yang sama (Wermuth et al., 1998). Dalam kimia, ikatan hidrogen adalah sejenis gaya tarik antar molekul atau antar dipol-dipol yang terjadi antara dua muatan listrik parsial dengan polaritas yang berlawanan. Walaupun lebih kuat dari kebanyakan gaya antarmolekul, ikatan hidrogen jauh lebih lemah dari ikatan kovalen dan ikatan ion. Ikatan hidrogen terjadi ketika sebuah molekul memiliki atom N, O, atau F yang mempunyai pasangan elektron bebas (lone pair electron). Kekuatan ikatan hidrogen ini dipengaruhi oleh perbedaan elektronegativitas antara atom-atom dalam molekul tersebut. Semakin besar perbedaannya, semakin besar ikatan hidrogen yang terbentuk. Ikatan hidrogen memengaruhi titik didih suatu senyawa. Semakin besar ikatan hidrogennya, semakin tinggi titik didihnya. Namun, khusus pada air (H2O), terjadi dua ikatan hidrogen pada tiap molekulnya (Langer dan Hoffman, 2006). Gaya van der Waals dalam ilmu kimia merujuk pada jenis tertentu gaya antar molekul. Istilah ini pada awalnya merujuk pada semua jenis gaya antar molekul, dan hingga saat ini masih kadang digunakan dalam pengertian tersebut, tetapi saat ini lebih umum merujuk pada gaya-gaya yang timbul dari polarisasi molekul menjadi dipol. Gaya Van Der Waals terjadi akibat interaksi antara molekul-molekul non polar (Gaya London), antara molekul-molekul polar (Gaya dipole-dipol) atau antara molekul non polar dengan molekul polar (Gaya dipoledipol terinduksi). Ikatan Van Der Waals terdapat antar molekul zat cair atau padat dan sangat lemah.Karena gaya ini sangat lemah maka zat yang mempunyai ikatan van der waals akan mempunyai titik didih yang sangat rendah. Meskipun demikian gaya van der waals bersifat permanen dan lebih kuat dari gaya london. Contoh gaya
van der waals terdapaIkatan ion merupakan suatu ikatan yang terjadi pada atom yang memiliki muatan yang besarnya sama tapi mempunyai muatan yang berlawanan tanda. Ikatan ion terbentuk sebagai akibat adanya gaya tarik menarik antara ion positif dan ion negatif. Ion positif terbentuk karena unsur logam melepaskan elektronnya, sedangkan pada ion negatif terbentuk karena unsur nonlogam menerima electron (Ayton, 2007). Oseltamivir adalah sebuah obat antiviral, sebuah inhibitor neuraminidase yang digunakan dalam penanganan influensa A dan B, dan ban yak dikenal sebagai obat yang dianjurkan untuk menangani flu burung. Oseltamivir dikembangkan oleh Gilead Sciences dan saat ini dijual oleh Roche dengan merek dagang Tamiflu®. Di Indonesia, pemerintah Indonesia mempunyai hak istimewa untuk memroduksi Tamiflu (Shen et al., 2013). Zanamivir INN adalah inhibitor neuraminidase yang digunakan untuk pengobatan dan profilaksis influenza yang disebabkan oleh virus influenza A dan B. Inhibitor ini dikembangkan oleh perusahaan biotek Australia Biota Holdings dan dilisensikan kepada Glaxo pada tahun 1990. Penggunaannya diizinkan di Amerika Serikat pada tahun 1999 hanya untuk mengobati penyakit influenza. Pada tahun 2006, Badan Pengawas Obat dan Makanan Amerika Serikat mengizinkan penggunaan zanamivir untuk mencegah influenza A dan B. Zanamivir adalah inhibitor neuraminidase pertama yang dikembangkan secara komersial. Inhibitor ini saat ini dipasarkan oleh GlaxoSmithKline dengan merk dagang Relenza sebagai bubuk yang dihirup lewat mulut namun hanya untuk keperluan pemeri ntah, bukan komersial (Daryono dan Nursalam, 2013).
IV.
Alat dan Bahan a. Alat
1. Perangkat keras ( Hardware) Seperangkat Komputer
2. Perangkat lunak (Software) LigandScout 4.1 (Wolber and Inte: Ligand GmbH b. Bahan
1. N1 neuramidase in complex with oseltamivir 2 (PDB ID: 2HU4) 2. Crystal structure of 2009 pandemic H1N1 neuramidase complexed with Zanamivir (PDB ID: 3TI5)
V.
Prosedur
Diketik kode pdb protein yang akan diunduh yaitu (1KE6) pada kotak di area atas sebelah kanan kemudian tekan tombol download. Setelah
protein
terunduh, akan ditampilkan dalam mode macromolecule view, dimana protein digambarkan dalam bentuk ribbon dan ligand berada dalam kotak yang berwarna kuning. Diklik pada kotak yang berwarna kuning yang berada dalam protein, sehingga molekul ligand akan di zoom, dan informasinya akan tampil di jendela sebelah kanan. Apabila molekul ligand dalam data pdb strukturnya tidak lengkap, misalnya ada salah satu ikatan yang putus, hal ini dapat diperiksa dengan cara mengklik ikatan pada tampilan 2D atau pada tampilan 3D, dan apabila ada yang tidak sesuai, ikatan tersebut dapat diperbaiki dengan mengklik tombol retype bond atau tombol [1], [2] dan [3]. Apabila molekul ligand sudah benar, tekan tombol [Ctrl+F9] untuk membuat farmakofor. Dari farmakofor yang terbentuk, tentukan gugus mana yang bertindak sebagai donor ikatan hidrogen, akseptor ikatan hidrogen, interaksi hidrofobik, dan yang lainnya.
VI.
Hasil dan Pembahasan
Praktikum pemodelan farmakofor bertujuan untuk identifikasi bagian esensial dari reseptor dan bertanggung jawab dalam mekanisme biologis. Pemodelan ini didasari dengan pendekatan berdasarkan struktur ligan ( Ligand Based Drug Design)/LBDD. Fitur-fitur yang dapat diidentifikasi terimplementasi dalam
bentuk interaksi kimia, dinataranya ikatan hidrogen, akseptor hidrogen, donor hidrogen, ionisasi positir serta ionisasi negative.
Perangkat lunak yang digunakan untuk pemodelan farmakofor adalah LigandScout 4.1 . Pemodelan farmakofor pada praktikum dilakukan pada dua ligan yang sudah terkompleks dengan reseptornya masing-masing. Oseltamivir diguanakan sebaga ligan yang terkompleks dengan enzim neuramidase (PDB ID: 2HU4) dan Zanamivir sebagai ligan yang terkompleks dengan H1N1 neuramidase (PDB : 3TI5). Oseltamivir adalah sebuah obat antiviral, sebuah inhibitor neuraminidase yang digunakan dalam penanganan influensa A dan B, dan banyak dikenal sebagai obat yang dianjurkan untuk menangani flu burung. Zanamivir INN adalah inhibitor neuraminidase yang digunakan untuk pengobatan dan profilaksis influenza yang disebabkan oleh virus influenza A dan B.Sturktur kompleks ligan-reseptor diperoleh dari Protein Data Bank dimana struktur yang diperoleh adalah hasil dari kristalisasi dengan metode X-Ray kristalografi karena pemotretan protein dengan cara ini yang
paling akurat . Struktur kompleks ligan-reseptror diunduh . File yang berisi struktur kompleks ligan reseptor dibuka menggunakan LigandScout 4.1 dan ditampilakan dalam mode macromolecul view. Kotak kuning menggambarkan ligan sedangkan protein digambarkan dalam bentuk ribbon. Kotak bewarna kuning yang berisi ligan diklik , lalu otomatis di zoom. Informasi tentang ligan ditampilkan di jendela sebelah kanan.
Gambar 6.1 Oseltamivir ligan yang terkompleks dengan enzim neuramidase (PDB ID: 2HU4)
Gambar 6.2 Zanamivir sebagai ligan yang terkompleks dengan H1N1 neuramidase (PDB : 3TI5).
Kemudian menekan tombol [Ctrl+F9] untuk melihat farmakofor dari Osetamivir dan Zanamivir
Gambar 6.3 Farmakofor dari Oseltamivir
Gambar 6.4 Farmakofor dari Zanamivir
Hasil pemodelan farmakofor oseltamivir dan zanamivir ditentukan gugus mana yang bertindak sebagai donor ikatan hidrogen, akseptor ikatan hidrogen , ikatan hidrofobik, cincin aromatik, interaksi muatan, grup ionizable positif dan negatif, ikatan dengan residu asam amino serta
interaksi lainnya. Hasil pemodelan zanamivir
menunjukan memiliki 11 akseptor ikatan hidrogen dan 10 donor ikatan hidrogen artinya
tidak memenuhi Lipinski’s Rule of Five, sedangkan oseltamivir memenuhi kriteria tersebut. Menurut Lipin ski’s Rule of Five, diantaranya adalah : 1. Tidak lebih dari 5 donor ikatan hidrogen 2. Tidak lebih dari 10 akseptor ikatan hidrogen 3. Massa molekul kurang dari 500 Dalton 4. Koefisien partisi oktanol-air (Log P) tidak lebih besar dari 5
Sehingga dalam hal ini tidak perlu banyak dilakukan modifikasi farmakofor pada oseltamivir tersebut. Namun untuk reseptor 3TI5 yang akan ditambatkan pada reseptor zanamivir, jumlah donor ikatan hidrogennya tidak memenuhi persyaratan sehingga dalam hal ini harus dilakukan modifikasi pada farmakofor. Modifikasi tersebut tentunya pada gugus lain dari farmakofor dikarenakan farmakofor merupakan bagian penting yang bertanggung jawab terhadap aktivitas biologis
VII.
Simpulan
Pemodelan farmakofor dari oseltamivir dan zanamivir dilakukan dengan menggunakan LigandScout 4.1 . Hasil pemodelan farmakofor oseltamivir memenuhi kriteria Lipinski’s Rule of Five , sedangkan zanamivir tidak memenuhi kriteria Lipinski’s Rule of Five karena memiliki 11 akseptor ikatan hidrogen dan 10 donor ikatan hidrogen.
DAFTAR PUSTAKA
Abbaspour, M., Jalayer, N., dan Makhmalzadeh, B. S., 2014, Development and Evaluation of a Solid Self-Nanoemulsifying Drug Delivery System for Loratadin by Extrusion-Spheronization, APB.,4 (2), 113-119. Ayton, G.S., Noid, W.G., Voth, G.A. 2007. Multiscale modeling of biomolecular systems: in serial and in parallel. Curr Opin Struct Biol 17:192 – 198. Costa, Josane A., Lucas, Elizabete F., Queiros, Yure G.C., dan Mansur, Claudia R.E., 2012, Evaluation of Nanoemulsions in The Cleaning of Polymeric Resins, Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects., 415, 112- 118. Daryono, H.T., Nursalam, H. 2013. Studi Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas, Fitur Farmakofor, dan Docking Molekuler Senyawa Turunan Piraz olo-[3,4 d]-pirimidin sebagai Inhibitor Mer Tirosin Kinase. Jurnal Acta Pharmaceutica Indonesia ITB Dror, O., Schneidman-Duhovny, D., Inbar, Y et al. 2009. A Novel Approach for Efficient Pharmacophore-based Virtual Screening: Method and Applications. J Chem Inf Model; 49(10): 2333 – 2343. Langer T, Hoffmann R.D. 2006. Pharmacophore and pharmacophore s earches, vol 32. WileyVCH :Weinheim. Shen, J., Zhang, W., Fang, H., Perkins, R., Tong, W., Hong, H. 2013. Homology modeling, molecular docking, and molecular dynamics simulations elucidated alpha-fetoprotein binding modes. BMC Bioinform. 14 (Suppl. 14), S6. Syahputra, G. 2015. Peran Bioinformatika dalam Desain Kandidat Molekul Obat. Biotrends Vol 1 No.1.
Thomas, A.N.S. 2009. Tanaman Obat Tradisional. Yogyakarta: Kanisus Wang, D et al. 2012. High Throughput Screening (HTS) in Identification New Ligands and Drugable Targets of G Protein-Coupled Receptors (GPCRs). PubMed Journals. Comb Chem High Throughput Screen 15 (3), 232-241. Wermuth, G., Ganellin, C.R., Lindberg, P., Mitscher, L.A. 1998. Glossary of terms used in medicinal chemistry. Pure Appl Chem. 70, 1129 – 1143. Winston dan Wayne L., 2014, Operation Research, Aplication and Algorithms, 4 th ed., Thomson Learning Inc.
