LAPORAN PRAKTIKUM PENGANTAR KIMIA MEDISINAL Hubungan Kuantitatif Struktur dan Aktivitas (QSAR) Hari / Jam Praktikum : Selasa / 08.00 – 11.00 WIB Tanggal Praktikum
3 November 2015
Asisten
: Intan Merita Muhammad Jajuli
IRBAH ARIFA 260110150147
LABORATORIUM KIMIA MEDISINAL FAKULTAS FARMASI UNIVERSITAS PADJADJARAN JATINANGOR 2015
Hubungan Kuantitatif Struktur dan Aktivitas (QSAR) I.
Tujuan 1. Membuat persamaan QSAR yang diperoleh dari data percobaan yang sudah ada
II.
Prinsip 1. QSAR Hubungan struktur kimia dan aktivitas biologis obat melalui sifat-sifat kimia fisika, seperti kelarutan dalam lemak (lipofilik), derajat ionisasi (elektronik), dan ukuran molekul (sterik). (Patrick, 2005) 2. Persamaan Free-Wilson Model matematis yang dikemukakan dalam metode analisis Free Wilson memperkirakan bahwa aktivitas biologis sama dengan sumbangan substituen ditambah aktivitas biologis senyawa induknya. (Iqmal. 2003) 3. Persamaan Hansch QSAR dinyatakan melalui parameter-parameter sifat kimia fisika dari substituen, yaitu hidrofobisitas molekul (log P), hidrofobisitas substituen , elektronik, dan sterik. (Patrick, 2005)
III.
Teori Dasar Hubungan Kuantitatif Struktur dan Aktivitas (HKSA) atau Quantitative Structure Activity Relationship (QSAR) adalah metode untuk membuat suatu hubungan antara struktur dan aktivitas dari berbagai deslriptornya. HKSA atau QSAR menjelaskan suatu struktur kmia dapat memberikan sumbangan aktivitas terhadap struktur induknya. Sehingga dengan penambahan tersebut dapat didapat suatu senyawa yang mempunyai aktivitas yang tinggi dan memberikan efek terapi yang maksimal (Siswandono dan Soekardjo, 2000).
Aktivitas dipengaruhi oleh sifat kmia fisika, yaitu sifat lipofilik, elektronik, dan sterik. Lipofilisitas dapat didefinisikan sebagai kadar keseimbangan numerik kadar obat dalam fasa polar dan fasa non polar (Daniel dan Jorgensen, 1982). Proses awal penentu obat dalam mencapai target adalah penetrasi atau absorpsi. Penetrasi obat dalam membran bergantung pada kelarutannya pada lipid. Makin mudah larut dalam lipid maka obat tersebut makin mudah menembus membran. Oleh karena itu, obat supaya mudah larut harus bersifat lipofilik (Korolkovas, 1976 ; Daniel Dan Jorgensen, 1982). Elektronik merupakan parameter yang disebabkan oleh adanya derajat ionisasi. Derajat ionisasi adlah banyak atau sedikitnya molekul zat yang terionisasi. Derajat ionisasi merupakan perbandingan banyaknya molekul zat yang terurai dengan banyaknya zat mula-mula (Ramdani, 2007). Parameter ini mempengaruhi interaksi obat dengan reseptor. Obat yang terlarut dapat berupa ion atau non ion. Bentuk non ion relatif lebih laerut dalam lemak (Batubara, 2008). Parameter sterik mempengaruhi fase pembentukan respon atau stimulus sebagai akibat perubahan konformasi dan beberapa usikan (Srdjoko, 1987). Pengaruh sterik seperti volume molar dan luas permukaan dinyatakn dalam harga refraktivitas molar (MR). Berdasarkan pada parameter yang digunakan, QSAR atau HKSA digolongkan dalm 3 metode, yaitu metode Hansch, metode Free Wilson, dan metode QSAR-3D atau ComFa (Arie, 2015). Free dan Wilson mengembangkan suatu konsep hubungan struktur dan aktivitas biologis obat yang dinamakan model de novo atau model matematk Free Wilson. Metode ini mengemukakan bahwa respon biologis merupakan sumbangan aktivitas dari gugus substituen terhadap aktivitas biologis senyawa induk. Model matematis dinyatakan dalam persamaan: Log1/C = Ʃ AnBn + μ Dimana, Log1/C
: logaritma aktivitas biologis
Ʃ AnBn
: total sumbanagn aktivitas dari n substituen dalam n
zona terhadap aktivitas senyawa induk μ
:aktivitas biologis senyawa induk (Iqmal, 2003)
Metode Hansch mengemukakan konsep bahwa hubungan suatu struktur kimia dengan aktivitas biologis suatu senyaw dapat dinyatakn secara kuantitatif melalui parameter sifat kimia fisika dari substituen, yaitu hidrofobik, elektronik, dan sterik. Hal tersebut dituangkan dalam persamaan berikut: 2
Log1/C = kπ +kπ + e + k Dimana, C
: konsentrasi molar
π
: lipofilitas substituen : efek elektronik
K, k’, e, k’’
: koefisien regresi dari analisis statistik (Richon dan Young, 1997)
IV.
Alat dan Bahan 4.1 Alat -
Komputer
4.2 Bahan -
Software
4.3 Gambar Alat
Komputer
V.
Prosedur Data percobaan yang sudah ada kemudian diolah dan dibuat persamaan QSAR yang menghubungkan aktivitas dengan lipofilisitas substituen. Lalu, dibuat persamaan QSAR yang menghubungkan antara aktivitas denagn refraktivitas molar (RM). Kemudian dari dua data yang telah diolah, dibuat persamaan hubungan antara aktivitas dan refraktivitas molar serta lipofilisitas. Dari data yang sudah didapat maka dipilih persamaan yang terbaik dengan membandingkan koefisien determinas. Kemudian dibuat grafik hubungan antara aktivitas hasil eksperimen dengan aktivitas hasil prediksi. Lalu dihitung koefisien korelasinya.
VI.
Data Pengamatan
N
Perlakuan
Hasil
o 1.
Dibuat
Didapatka
persamaan
n
QSAR
yang persamaan
dihubungkanny a
0.817x-
aktivitas 0.766 dan 2
dengan
Log 1/EC50 1 y = 0,817x - 0,766 0,5 R² = 0,887 0 -2 -0,5 0
R = 0.887
Didapatka
persamaan
n yang persamaan
dihubungkanny y= 0.068x
3.
Linear (Log 1/EC50)
-2
Dibuat
a
4
-1,5
substituen
QSAR
2
-1
hidrofobisitas
2.
Log 1/EC50
aktivitas –
1.140 2
dengan
dan R
refraktivitas
0.527
Dibuat
Didapatka
Log 1/EC50 1 y = 0,068x - 1,140 0R² = 0,527 0
20
Log 1/EC50 40
-1
= -2 -0.00018984
0.81831697
Linear (Log 1/EC50)
-0.76499369
persamaan QSAR
n yang persamaan
menghubungka n
log
aktivitas 1/EC50 =
dengan
0.818π
parameter
0.00018M
hidrofobisitas
R – 0.765
0.02476972 0.88788619 15.8390155 8
0.22824879 9 0.31284316 4
0.23213938 7 #N/A #N/A
–
substituen dan refraktivitas molar 4.
Dipilih
Didapatka
persamaan
n
terbaik dengan persamaan dibandingkan
log
koefisen
1/EC50 =
determinasi
0.818π
dari
–
masing- 0.00018M R – 0.765
masing persamaan 5.
Dibuat
grafik
-0.76519158
hubungan
1
antara aktivitas
0
hasil eksperimen dengan aktivitas prediksi kemudian hitung koefisien
-2
-1
0 -1 -2
hasil
1
-0.76519158
korelasinya
Senyawa
X
EC50
П
MR
1/EC50
Log 1/EC50
1
H
11.8
0
1.03
0.08474576
-1.071882007
2
Cl
1.24
0.71
6.03
0.80645161
-0.093421685
3
NO2
4.58
-0.28
7.36
0.21834061
-0.660865478
4
CN
26.5
-0.57
6.33
0.03773585
-1.423245874
5
C6H5
0.24
1.96
25.36
4.16666667
0.619788758
6
N(CH3)2
4.39
0.18
15.55
0.22779043
-0.64246452
7
I
0.35
1.12
13.94
2.85714286
0.455931956
Tabel 1. Data hasil eksperimen
Log 1/EC50 1 0,5
y = 0,817x - 0,766 R² = 0,887
Log 1/EC50
0 -1
-0,5 0
1
2
3
-1
Linear (Log 1/EC50) Linear (Log 1/EC50)
-1,5 -2
Grafik 1. Hubungan Log 1/EC50 terhadap π
Log 1/EC50 1 0,5
y = 0,068x - 1,140 R² = 0,527 Log 1/EC50
0 -0,5 0 -1 -1,5 -2
10
20
30 Linear (Log 1/EC50)
Grafik 2. Hubungan Log1/EC50 terhadap MR -0.000189841
0.818316974
-0.76499369
0.02476972
0.228248799
0.232139387
0.88788619
0.31284316
#N/A
15.83901558
4
#N/A
Log 1/EC50 Eksperimen
Log 1/EC50 Prediksi
R2
-1.071882
-0.7651854
0.942277128
-0.093421685
-0.1853054
-0.660865478
-0.9953648
-1.423245874
-1.2323994
0.619788758
0.8337152
-0.64246452
-0.620559
0.455931956
0.1486508
Tabel 2.
Tabel 3.
-0.76519158 1 0,5 0 -1,5
-1
-0,5
-0,5 0
0,5
1
-0.76519158
-1 -1,5 -2
Grafik 3. Hubungan antara Log 1/EC50 eksperimen dan Log 1/EC50 prediksi
VII.
Hasil dan Pembahasan Hubungan Kuantitatif Struktur Aktivitas (HKSA) atau Quantitative Structure Activity Relationship (QSAR) adalah suatu metode untuk menghubungkan antara struktur kimia suatu senyawa dengan efek atau aktivitas biologis. Awalnya pemahaman hubungan struktur dan aktivitas dikonsiderasikan bahwa aktivitas biologis merupakan fungsi dari struktur kimia. Tetapi kemudian mengalami perluasan aktivitas biologis sebagai fungsi fisikokimia (struktur fisika dan kimia). Artinya suatu seri sifat-sifat fisika dan kimia suatu molekul dapat menerangkan aktivitas biologis senyawa tersebut (Wolff, 1994). Melalui percobaan kali ini, dapat ditentukan parameter apa yang lebih berkontribusi dalam menaikkan aktivitas suatu senyawa. Dimana parameternya adalah hidrofobisitas substituen dan refraktivitas molar. Dalam percobaan kali ini, senyawa yang digunakan untuk percobaan HKSA, yaitu kapsaisin.
Daerah kapsaisin dibagi menjadi tiga, yaitu daerah A yang berisi cincin aromatis, daerah B memiliki ikatan amida, dan daerah C yang mengandung rantai samping hidrofobik. Hipotesis sendiri memprediksikan bahwa adanya rantai samping hidrofobik akan meningkatkan aktivitas. Konstanta hidrofobik subtituen adalah ukuran seberapa besar hidrofobik subtituen relatif terhadap Hidrogen. Nilai ini dinyatakan dalam π. Nilai π positif menunjukan subtituen lebih hidrofobik dari hidrogen, dan
nilai π negatif menunjukan subtiten kurang hidrofobik dari subtiten (Aman dan Daryono, 2013). Refraktivitas Molar (RM) mencerminkan susunan dari kulit elektron dari ion di molekul dan menyediakan informasi tentang polarisasi elektronik dari suatu ion (Pacak, 1989). Semakin besar nilai RM maka semakin susah pula suatu substituen untuk mempolarisasi senyawa induk. Semakin mudah suatu substituen mempolarisasi maka senyawa yang dihasilkan akan semakin polar. Aktivitas suatu senyawa atau obat dinyatakan dalam nilai EC50. EC50 adalah konsentrasi efektif suatu senyawa yang memberikan 50% efek maksimal (Neubig, 2003). Artinya, dengan menguji coba organisme dengan memberikan suatu obat maka diperoleh dosis dimana 50% dari hewan uji coba memberikan efek yang diinginkan. Substituen yang memberikan nilai EC50 yang rendah menunjukkan jika senyawa tersebut lebih efektif dibandingkan yang lainnya. Suatu senyawa dikatakan sangat kuat jika nilai EC50 kurang dari 50 μg/mL, kuat jika EC50 bernilai 50 μg/mL sampai 100 μg/mL, sedang jika EC50 bernilai 100 μg/mL sampai 150 μg/mL dan lemah jika EC50 bernilai 151 μg/mL sampai 200 μg/mL (Mardawati, dkk, 2008). Metode yang digunakan untuk menentukan hubungan antara parameter dan aktivitas adalah metode Hansch atau model regresi linier. Regresi adalah pengukuran hubungan dua variabel atau lebih yang dinyatakan dengan bentuk hubungan atau fungsi. Untuk menentukan hubungan diperlukan pemisahan yang tegas antara variabel bebas (X) dan variabel tak bebas (Y) (Universitas Udayana, 2013). Grafik 1 menyatakan hubungan antara Log (1/EC50) dan hidrofobisitas substituen (π)
Log 1/EC50 1 0,5y = 0,817x - 0,766 R² = 0,887 0 -1 -0,5 0
1
Log 1/EC50
2
3
-1
Linear (Log 1/EC50) Linear (Log 1/EC50)
-1,5 -2
Sumbu
X
menyatakan
variabel
bebas,
yaitu
parameter
hidrofobisitas dan sumbu Y menyatakan variabel tak bebas, yaitu log 1/EC50. Variabel tak bebas disebut juga sebagai variabel terikat. Artinya variabel tersebut dipengaruhi oleh variasi dari variabel bebas. EC50 dan 1/EC50 nilainya berbanding terbalik. Sehingga apabila nilai EC50 kecil maka nilai dari 1/EC50 akan semakin besar. Log 1/EC50 akan berbanding lurus dengan 1/EC50. Semakin besar nilai 1/EC50 maka nilai log 1/EC50 akan semakin besar pula. Dapat dilihat dari tabel, sampel 5 menunjukkan Log 1/EC50 yang paling besar. Alasan untuk menggunakan logaritma pada respons biologis mempunyai dasar termodinamik. Energi bebas yang diberikan oleh suatu molekul, dianggap merupakan jumlah energi bebas dari gugus-gugus subtituen. Sebagai contoh, kelebihan energi bebas dari ionisasi pada asam p-metilbenzoat terhadap asam benzoat adalah sama dengan sumbangan dari gugus p-metil. Persamaan yang menggunakan log (Kx/Ko) termasuk energi bebas karena penetapan keseimbangan adalah logaritma yang berhubungan dengan energi bebas. Ini merupakan logika mengapa dalam hubungan struktur aktivitas digunakan logaritma parameter-parameter respon biologis (Siswandono & Soekardjo, 2009). Jika ditinjau dari nilai hidrofobisitas
substituennya, subsituen
dengan nilai yang relatif lebih tinggi dari hidrogen menunjukkan bahwa
senyawa tersebut hidrofobik. Semakin hidrofobik maka akan semakin lipofil pula senyawa tersebut. Parameter ini berguna untuk menentukan kalau obat tersebut akan terabsorpsi baik dengan membran sel atau tidak. Nilai R2 menunjukkan berapa % aktivitas biologis yang dapat dijelaskan hubungannya dengan parameter sifat fisika kimia yang digunakan (Siswandono dan Soekardjo, 2000). Diperoleh nilai R2 sebesar 0.887. Artinya dapat menjelaskan 88.7 % dari variasi antar data. Jika ditinjau dari nilai refrakivitas molar (RM), maka senyawa dengan substituen yang memiliki nilai RM yang tinggi akan memiliki aktivitas biologis yang tinggi.
Log 1/EC50 1 y = 0,068x - 1,140 R² = 0,527
0,5 0 -0,5 0
10
20
-1
Log 1/EC50 30
Linear (Log 1/EC50)
-1,5 -2
Grafik di atas menunjukkan hubungan antara log 1/EC50 dan refraktivitas molar (RM). Sumbu X menyatakan nilai dari RM sedangkan sumbu Y menyatakan nilai log 1/EC50 yang dipengaruhi oleh RM. Nilai tertinggi dari RM sebesar 25.36 dari substituen C6H5. Nilai R2 (koefisien determinasi) adalah 0.527, yang artinya sebanyak 52.7 % data yang dapat dijelaskan dari variasi data. Dari koefisien determinasi yang didapatkan dari masing-masing parameter maka dapat disimpulkan bahwa parameter yang lebih berpengaruh pada aktivitas atau efek biologis senyawa kapsaisin adalah hidrofobisitas substituen. Hal ini dapat dikarenakan hidrofobisitas sangat mempengaruhi farmakokinetik obat, yaitu proses absorpsi. Obat untuk dapat memberikan efek biologis harus dapat terabsorpsi dengan baik.
Semakin hidrofob suatu senyawa maka senyawa tersebut dapat diabsorpsi membran. Kemudian ditentukan korelasi antara log 1/ec50 dan kedua parameter. Fungsi yang digunakan adalah fungsi linest. Fungsi linest digunakan untuk mencari persamaan regresi linier dari lebih dari 1 variabel
bebas.
Rumus
yang
digunakan
adalah
=LINEST(G2:G8;D2:E8;TRUE;TRUE). -0.000189841
0.818316974
-0.76499369
0.02476972
0.228248799
0.232139387
0.88788619
0.31284316
#N/A
15.83901558
4
#N/A
Maka diperoleh data di atas. Karena parameter yang berpengaruh adalah hidrofobisitas substituen maka persamaan dapat ditentukan dari nilai parameter yang mendekati 1. Oleh karena itu, persamaan ditentukan dari baris ke-1. Dari data tersebut diperoleh persamaan log 1/ec50 = 0.818π 0.00018MR -0.765. Rumus tersebut digunakan untuk mencari nilai log 1/EC50 prediksi.
Log 1/EC50 Eksperimen
Log 1/EC50 Prediksi
R
-1.071882
-0.7651854
0.942277128
-0.093421685
-0.1853054
-0.660865478
-0.9953648
-1.423245874
-1.2323994
0.619788758
0.8337152
-0.64246452
-0.620559
0.455931956
0.1486508
Tujuan dari metode QSAR ini adalah untuk mempermudah pengerjaan secara manual untuk mengembangkan suatu senyawa baru. Untuk itu perlu adanya pemilihan deskriptor/variabel yang akan diikutkan dalam persamaan model (Kubinyi, 1993). Deskriptor digolongkan menjadi
deskriptor empirik dan deskriptor teoritik. Deskriptor empirik diperoleh dari hasil percobaan eksperimental dan deskriptor teoritik diperoleh dari perhitungan komputasional (Lee, et al, 1966). Maka dari itu, langkah selanjutnya adalah menentukan korelasi dari log 1/EC50 eksperimen dan log 1/EC50 prediksi. Caranya, yaitu dengan menggunakan fungi correl dengan rumus umum =CORREL(array1,array2). Maka diperoleh rumus =CORREL(A17:A23;B17:B23).
Diperoleh
koefisien
korelasi
0.942277128. Nilai r (koefisien korelasi) menunjukkan tingkat hubungan antara data aktivitas biologis pengamatan percobaan dengan data hasil perhitungan berdasarkan persamaan yang diperoleh dari analisis regresi. Koefisien korelasi adalah angka yang bervariasi mulai dari 0 sampai 1. Semakin tinggi nilainya maka semakin baik hubungannya (Siswandono dan Soekardjo, 2000). Nilai r menentukan kelayakan sebuah obat untuk dapat disintesis. Nilai r mendekati 1 menunjukkan senyawa tersebut layak untuk disintesis. Metode QSAR digunakan untuk memperoleh korelasi antara senyawa yang telah diuji secara eksperimen (misal: uji klinis) dan senyawa yang akan disintesis dengan cara perhitungan.
VIII. Kesimpulan Persamaan Hubungan Kuantittif Struktur Aktivitas dapat diperoleh. Parameter yang berpengaruh pada aktivitas biologis senyawa kapsaisin adalah hidrofobisitas substituen. Serta log 1/EC50 eksperimen dan log 1/EC50 prediksi dapat dikatakan memiliki korelasi yang baik, dilihat dari nilai R = 0.942277128.
Dari tingkat korelasi tersebut maka dapat
disimpulkan senyawa tersebut layak untuk disintesis.
Daftar Pustaka Aman, L.O. dan Daryono. 2013. Docking Molekular Senyawa Turunan 2Aminothieno [2,3-D] Pyrimidine Sebagai Inhibitor Hsp90. Gorontalo: Universitas Gorontalo. Arie, B.S. 2015. QSAR. Tersedia di elisa1.ugm.ac.id/Arie_BS/ecthcwxc [diakses pada 2 November 2015] Batubara, P.L. 2008. Farmakologi Dasar. Jakarta : Lembaga Studi dan Konsultasi Farmakologi. Daniel, T.C. dan Jorgensen, EC. 1982. Physicochemical Properties in Relation to Biologic Action. Philadelphia: YB Lippincott. Iqmal. 2003. Hubungan Kuantitatif Struktur Aktivtas Antiradikal Senyawa Turunan Flavon Berdasarkan Pendekatan Free Wilson. Makalah Seminar Nasional Kimia Fisik III. Korolkovas, A. 1976. Essentials of Mecinal Chemistry. Oxford: Oxford University Press. Kubinyi, H. 1993. QSAR: Hansch Analysis and Related Approach. Weinheim: Verlagsgesellschafr. Lee, K.W., et al. 1996. Quantitative Structure Activity Relationship (QSAR) Study on C-7 Substituted Quionolone. Bull. Korean Chen. Soc. 17, 147152 Mardawati, E, dkk. 2008. Kajian Aktivitas Antioksidan Ekstrak Kulit Manggis (Garcinia mangostana L) dalam Rangka Pemanfaatan Limbah Kulit Manggis di Kecamatan Puspahiang Kabupaten Tasikmalaya.Halaman 4. Neubig, R. 2003. International Union of Pharmacology Comittee on Receptor Nomenclature and Drug Classification. Pharmacology Review., 55(4, 597606.
Pacak, P. 1989. Molar Refractivity and Interctions in Solutions I. Molar Refractivity of Some Monovalent Ions in Aqueous and Dimethyl Sufoxide Solutions. Chem. Papers. 43(4) 489-500 Ramdani,
A.
2007.
Derajat
Ionisasi.
tersedia
di
kimia.upi.edu/utama/bahanajar/kuliah_web/2007.AdriRamdani(050094)in dex_files/Page1020.htm [diakses pada 2 November 2015] Richon, A.B. dan Young, S.S. 1997. An Introduction to QSAR Methodology. tersedia di www.netsci.org/science/compchem/feature19.html [diakses pada 2 November 2015] Sardjoko. 1987. Pedoman Kuliah Rancangan Obat. Yogyakarta: UGM. Siswandono dan Soekardjo. 2000. Kimia Medisinal. Surabaya: Airlangga University Press. Universitas Udayana. 2013. Analis Regresi Linier Sederhana.
tersedia di
http://www.fp.unud.ac.id/ind/wpcontent/uploads/mk_ps_agribisnis/ekonomitrika/2_.%20%20Analisis%20 Regresi%20Linier%20Sederhana.pdf. [diakses pada 7 November 2015] Wolff, M.E. 1994. Asas-asas Kimia Medisinal. Yogyakarta: Gadjah Mada University Press.
