SKRIPSI
KAJIAN TEORITIS REAKSI DEKOMPOSISI SENYAWA 6,7 ERITROMISIN ERITROMISIN A DAN -ANHIDROERITROMISIN A DENGAN METODE SEMIEMPIRIS CNDO
Nur Indriadi 01/147180/PA/08540
JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 2006
SKRIPSI
KAJIAN TEORITIS REAKSI DEKOMPOSISI SENYAWA ERITROMISIN ERITROMISIN A DAN 6,7-ANHIDROERITROMI -ANHIDROERITROMISIN SIN A DENGAN METODE SEMIEMPIRIS CNDO
Nur Indriadi 01/147180/PA/08540
Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh derajat Sarjana Sains Ilmu Kimia
Pembimbing : Dr. Ria Armunanto, M.Si Drs. Winarto Haryadi, M.Si
JURUSAN KIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS GADJAH MADA YOGYAKARTA 2006
UNDERGRADUATE THESIS
A THEORETICAL STUDY ON DECOMPOSITION OF ERYTHROMYCIN ERYTHROMYCIN A AND 6,7-ANHYDROERYTHROMYCIN -ANHYDROERYTHROMYCIN A USING CNDO SEMIEMPIRICAL SEMIEMPIRICAL METHOD
Nur Indriadi 01/147180/PA/08540
Submitted to fulfill one of the requirements to obtain the degree of Sarjana Sains in Chemistry
Supervisors : Dr. Ria Armunanto, M.Si Drs. Winarto Haryadi, M.Si
CHEMISTRY DEPARTMENT FACULTY OF MATHEMATICS AND NATURAL SCIENCES GADJAH MADA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2006
HALAMAN PENGESAHAN
KAJIAN TEORITIS REAKSI DEKOMPOSISI SENYAWA ERITROMISIN A 6,7 DAN -ANHIDROERITROMISIN -ANHIDROERITROMISIN A DENGAN METODE SEMIEMPIRIS CNDO
Nur Indriadi 01/147180/PA/08540
Dinyatakan lulus ujian skripsi dalam Ujian Skripsi pada tanggal 20 April 2006
DEWAN PENGUJI
Dr. Ria Armunanto, M.Si Pembimbing I
Dr. Harno Dwi Pranowo, M.Si
Drs. Winarto Haryadi, M.Si Pembimbing II
Dr. Mudasir, M.Eng
PRAKATA
Alhamdulillahirrabbil’alamin, puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan kurnia-Nya sehingga penulisan skripsi ini dapat terselesaikan. Penulisan ini tidak akan selesai dengan baik tanpa bantuan, bimbingan dan dukungan serta dorongan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada : 1. Dr. Ria Armunanto, M.Si selaku Dosen Pembimbing I atas kesabarannya dan segala bimbingan yang diberikan selama penyelesaian skripsi ini. 2. Drs. Winarto Haryadi, M.Si selaku Dosen Pembimbing II yang telah membimbing dan membantu penyelesaian tugas akhir dengan bantuan moral dan material. 3. Drs. Iqmal Tahir, M.Si yang telah mengajarkan kimia komputasi dan pemodelan molekul dalam penulisan skripsi ini. 4. Sugeng Triono, S.Si, M.Si yang telah mengajarkan kimia organik sebagai dasar penelitian dalam penulisan skripsi ini. 5. Pimpinan dan karyawan Laboratorium Kimia Komputasi (Pusat Kimia Komputasi Indonesia – Austria) FMIPA UGM. 6. Semua pihak yang tidak mungkin disebutkan satu per satu, baik lembaga maupun perorangan yang telah dengan tulus memberikan bantuan dan dukungannya kepada penulis.
i
Semoga Allah SWT memberikan balasan yang sebesar-besarnya atas kebaikan yang telah mereka berikan. Penulis menyadari bahwa skripsi yang telah disusun ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak sangat penulis harapkan dan semoga skripsi ini dapat berguna bagi dunia ilmu pengetahuan.
Yogyakarta, April 2006 Penulis,
Nur Indriadi
ii
DAFTAR ISI
PRAKATA ................................................. .................................................................................................... ............................................................ .........
i
DAFTAR ISI ............................................. ................................................................................................. ............................................................. ......... iii DAFTAR GAMBAR ................................................... ............................................................................................. .......................................... vi DAFTAR TABEL ................................................................................................. viii DAFTAR LAMPIRAN .......................................................... ......................................................................................... ............................... ix INTISARI ..................................................... ............................................................................................................. ..........................................................
x
ABSTRACT ................................................... .......................................................................................................... ......................................................... xi BAB I
BAB II
PENDAHULUAN ............................................................. ................................................................................ ...................
1
I.1 Latar Belakang .................................................. ..............................
1
I.2 Tujuan Tujuan Penelitian ................................................. ...........................
4
I.3 Batasan Batasan Masalah ............................................. ................................
4
TINJAUAN PUSTAKA ................................................................. ...................................................................... .....
5
II.1 Eritromisin Eritromisin ................................................. ....................................
5
II.1.1 Pengertian Pengertian eritromisin eritromisin .......................................... ................
5
II.1.2 Struktur eritromisin eritromisin ...................................................... ........
6
II.1.3 Reaksi dekomposisi dekomposisi eritromisin eritromisin ...........................................
7
II.1.4 Modifikasi kimia struktur eritromisin eritromisin ..................................
9
II.2
6,7
Δ
Anhidroeritromisin Anhidroeritromisin ................................................ .................
9
II.3 Perkembangan Perkembangan Kimia Komputasi Komputasi .................................................. 11 II.4 Mekanika Kuantum .................................................. ..................... 12
iii
II.5 Metode Ab Initio ............................................................... ............ 12 II.6 Metode Semiempiris Semiempiris .............................................. ......................... 14 II.7 Metode CNDO ( Complete Neglect of Differential Overlap) ......... 15 II.8 Pemodelan Pemodelan Molekul ............................................. ........................... 15 II.9 Optimasi Geometri ....................................................... .................. 16 BAB III
LANDASAN TEORITIK, HIPOTESIS DAN RANCANGAN PENELITIAN PENELITIAN .................................................. 18
III.1 Landasan Landasan Teoritik ....................................................... ......................................................................... .................. 18 III.2 Hipotesis .................................................... ....................................................................................... ................................... 21 III.3 Rancangan Penelitian ....................................................... ................................................................... ............ 22 BAB IV
METODE PENELITIAN PENELITIAN ......................................................... ................................................................... .......... 23
IV.1 Peralatan Penelitian .................................................. .................... 23 IV.1.1 Perangkat Perangkat keras ................................................................. 23 IV.1.2 Perangkat Perangkat lunak ...................................................... ................................................................. ........... 23 IV.2 Materi Penelitian Penelitian ............................................ .............................. 24 IV.3 Prosedur Kerja ............................................................................. 24 IV.3.1 Pembuatan Pembuatan senyawa awal ................................................ . 24 IV.3.2 Optimasi geometri geometri .......................................... ................... 25 IV.3.3 Analisis struktur senyawa obat ......................................... 25 IV.3.4 Mekanisme Mekanisme dekomposisi dekomposisi eritromisin eritromisin ................................ .. .............................. 26 IV.3.5 Mekanisme dekomposisi
iv
6,7
Δ
anhidroeritromisin anhidroeritromisin ............. 26
BAB V
HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................ ........................................................... ... 27
V.1 Pemodelan Senyawa Eritromisin dan 6,7
Δ
Anhidroeritromisin ................................................................. 27
V.2 Optimasi Geometri Senyawa Eritromisin 6,7
dan Δ
Anhidroeritromisin Anhidroeritromisin .................................................. ......... 30
V.3 Analisis Struktur Senyawa Obat ................................................... 30 V.4 Perhitungan Perhitungan Energi Ikat Total ..................................... .................. 34 V.5 Mekanisme Mekanisme Dekomposisi Dekomposisi Eritromisin Eritromisin ........................................... 35 V.6 Mekanisme Dekomposisi BAB VI
6,7
Δ
Anhidroeritromisin ....................... 48
KESIMPULAN KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................... 57
VI.1 Kesimpulan .................................................................................. 57 VI.2 Saran ............................................................................................ 57 DAFTAR PUSTAKA .................................................... ............................................................................................ ........................................ 58 LAMPIRAN .......................................................................................................... 61
v
DAFTAR GAMBAR
Gambar II.1. Struktur kimia eritromisin dan turunannya yang terdapat di alam ............................................... ..............................................
6
Gambar II.2. Mekanisme dekomposisi eritromisin dalam suasana asam (Sakakibara (Sakakibara and Omura, 1984) ....................................................... ............................ ........................... Gambar II.3
8
Penghambatan reduksi enoil pada langkah biosintesis eritromisin oleh INH, sehingga dihasilkan
6,7
Δ
anhidroeritromisin anhidroeritromisin ................... 10
Gambar IV.1 Struktur 2 dimensi senyawa eritromisin (a) dan 6,7
Δ
anhidroeritromisi anhidroeritromisin n (b) ................................... ........................... 24
Gambar V.1
Struktur 2 dimensi eritromisin eritromisin ............................. ........................... 27
Gambar V.2
Struktur 3 dimensi eritromisin eritromisin ............................. ........................... 28
Gambar V.3
Struktur 2 dimensi
Δ
Gambar V.4
Struktur 3 dimensi
Δ
Gambar V.5
Gugus penting dalam dekomposisi eritromisin (a) 6,7
dan Δ Gambar V.6
6,7
anhidroeritromisin ..................................... 29
6,7
anhidroeritromisin ..................................... 29
anhidroeritromsin anhidroeritromsin (b) oleh oleh asam asam lambung lambung ......................... 32
Mekanisme dekomposisi eritromisin dalam suasana asam (Sakakibara (Sakakibara dan Omura, 1984) ............................................ ........... 36
Gambar V.7
Protonasi Protonasi pada C9 senyawa eritromisin eritromisin .......................................... 38
Gambar V.8
Senyawa turunan 1, 2, dan 3 dari senyawa awal eritromisin eritromisin .......... 38
Gambar V.9
Senyawa turunan 4, 5, 5, dan dan 6 dari senyawa 1, 2, dan 3 .................... 41
vi
Gambar V.10 Senyawa turunan 7 dan 8 dari senyawa 4, 5, dan dan 6 ......................... 42 Gambar V.11 Senyawa turunan 9, 10 dan 11 dari senyawa senyawa 7 dan 8 ...................... 44 Gambar V.12 Mekanisme dekomposisi eritromisin dalam suasana asam hasil perhitungan perhitungan kimia komputasi komputasi ............................................... .. 47 Gambar V.13 Protonasi pada C9 senyawa
6,7
Δ
anhidroeritromisin anhidroeritromisin ....................... 49
Gambar V.14 Senyawa turunan A dan B dari senyawa 6,7
Δ
anhidroeritromisin .................................................................... 50
Gambar V.15 Senyawa turunan C dan dan D dari senyawa A dan dan B .......................... 52 Gambar V.16 Senyawa turunan F, H dan dan K dari dari senyawa D ................................ 54 Gambar V.17 Mekanisme dekomposisi
6,7
Δ
anhidroeritromisin dalam
suasana asam hasil hasil perhitungan perhitungan kimia komputasi komputasi ........................... 56
vii
DAFTAR TABEL
Tabel V.1 Data energi dari perhitungan semiempiris CNDO beberapa senyawa turunan eritromisin eritromisin ................................................ 37 Tabel V.2 Perhitungan Perhitungan Energi Ikat Total Senyawa 1, 2, dan 3 ............................ 40 Tabel V.3 Perhitungan Perhitungan Energi Ikat Total Senyawa 4, 5, dan 6 ............................ 41 Tabel V.4 Perhitungan Perhitungan Energi Ikat Total Senyawa 7 dan 8 ................................. 44 Tabel V.5 Perhitungan Perhitungan Energi Ikat Total Senyawa 9, 10, dan 11 ........................ 46 Tabel V.6 Data energi dari perhitungan semiempiris CNDO beberapa senyawa turunan
6,7
Δ
anhidroeritromisin ............................. 48
Tabel V.7 Perhitungan Perhitungan Energi Ikat Total Senyawa A dan B ................................ 51 Tabel V.8 Perhitungan Perhitungan Energi Ikat Total Senyawa C dan D ................................ 53 Tabel V.9 Perhitungan Perhitungan Energi Ikat Total Senyawa F, H, dan K .......................... 55
viii
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Data perhitungan energi dengan metode semiempiris CNDO beberapa senyawa ..................................................... ............................................................................... .......................... 62 Lampiran Lampiran 2. Kiralitas senyawa obat eritromisin eritromisin ................................................ .... 72 Lampiran Lampiran 3. Usulan jalur mekanisme mekanisme reaksi reaksi dekomposi dekomposisi si eritromisin eritromisin .................. 73 Lampiran 4. Usulan jalur mekanisme reaksi dekomposisi 6,7
Δ
anhidroeritromisin ....................................................................... 74
ix
KAJIAN TEORITIS REAKSI DEKOMPOSISI SENYAWA 6,7 ERITROMISIN ERITROMISIN A DAN -ANHIDROERITROMISIN A DENGAN METODE SEMIEMPIRIS CNDO
Nur Indriadi 01/147180/PA/08540
INTISARI
Kajian struktur senyawa obat eritromisin A dan Δ6,7 anhidroeritromisin A telah dilakukan dengan menggunakan metode semiempiris CNDO. Kedua struktur dioptimasi memakai mekanika kuantum semiempiris pada tingkat CNDO untuk memperoleh struktur yang mendekati keadaan yang sebenarnya. Analisis polaritas, polaritas, energi kestabilan dan sudut torsi dilakukan untuk memperoleh sifat strukturnya. Energi ikatan dari berbagai macam senyawa turunan eritromisin A dan Δ6,7 anhidroeritromisin A di dalam suatu reaksi dekomposisi pada suasana asam dihitung untuk memperoleh suatu jalur mekanisme dekomposisi yang paling mungkin. Hasil analisis menunjukkan bahwa mekanisme dekomposisi eritromisin A dan 6,7 anhidroeritromisin A dapat diprediksi dengan metode semiempiris CNDO. Δ Senyawa eritromisin A dapat mengalami reaksi dekomposisi hingga menjadi cincin makrolakton, sedangkan untuk senyawa Δ6,7 anhidroeritromisin A dalam dekomposisi asam tidak dapat berlangsung berlangsung hingga terbentuk makrolakton. Jadi di dalam lambung, 6,7 obat Δ anhidroeritromisin A diprediksi akan lebih tahan asam. 6,7
Kata kunci : Dekomposisi, eritromisin A, Δ momen dipol, polaritas, CNDO
x
anhidroeritromisin A, energi ikat,
A THEORETICAL STUDY ON DECOMPOSITION OF 6,7 ERYTHROMYCIN A AND -ANHYDROERYTHROMYCIN -ANHYDROERYTHROMYCIN A USING CNDO SEMIEMPIRICAL METHOD
Nur Indriadi 01/147180/PA/08540
ABSTRACT
The study of erythromycin A and Δ6,7 anhydroerythromycin A has been conducted using the semiempirical semiempirical CNDO method. Both structures optimized optimized using semiempirical quantum mechanics at CNDO level to obtain the most close structures with those in real experiments. Polarity, stability energy and torsion angle analysis have been done to predict the structure properties. By calculating the bonding energy of some erythromycin A and 6,7 Δ anhydroerythromycin A derivatives in acidic decomposition, a reaction mechanism of the decomposition of the drugs may be obtained. Result of the study showed that decomposition mechanism of erythromycin A and Δ6,7 anhydroerythromycin A could be predicted by using computational chemistry. Erythromycin A decompose continously react until a macrolacton ring was obtained, whereas Δ6,7 anhydroerythromycin A could not react. Therefore, it is 6,7 predicted that Δ anhydroerythromycin A would be more acid resistance in human gastric. 6,7
Keywords : Decomposition, erythromycin A, Δ anhydroerythromycin A, bonding energy, dipole moment, polarity, CNDO
xi
BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Ilmu kimia merupakan ilmu pengetahuan alam yang berdasarkan pada eksperimen.
Hal ini dibuktikan oleh sejarah ilmu kimia yang berkembang pesat
melalui eksperimen. Perkembangan ilmu kimia tidak lagi hanya bergantung pada eksperimen dalam dua dekade belakangan ini. Saat ini, perkembangan dalam bidang ilmu kimia, prediksi teoritis sifat-sifat kimia bisa menyaingi keakuratan data-data yang diperoleh dari eksperimen (Grant dan Richards, 1995). Perkembangan
pesat
teknologi
mikroprosesor
telah
mempengaruhi
perkembangan ilmu kimia. Salah satu wujud perkembangan itu adalah penggunaan komputer sebagai sarana atau peralatan dalam kerja laboratorium kimia. Penggunaan komputer sebagai peralatan kerja laboratorium telah dikembangkan menjadi suatu aspek kajian yang disebut dengan kimia komputasi. Bidang kimia komputasi yang mulai diperkenalkan kepada umum sekitar tahun 1960, telah memainkan peranan penting dalam perkembangan ilmu pengetahuan, khususnya ilmu kimia. Ruang lingkup pembahasan kimia komputasi sedikit berbeda dari kimia teori, yaitu meliputi penuangan teori-teori kimia ke dalam perangkat lunak komputer dalam bentuk program yang berguna untuk memecahkan masalah-masalah
kimia.
Meskipun
ada
1
spesialisasi
dalam
ruang
lingkup
2
penerapannya, kecepatan perkembangan kimia komputasi lebih dipengaruhi oleh perkembangan program komputernya. Perkembangan kimia komputasi yang sangat pesat telah mengubah deskripsi suatu sistem kimia dengan masuknya unsur baru antara eksperimen dengan teori yaitu eksperimen komputer. Dalam eksperimen, sistem diukur dan dinyatakan dalam bentuk numerik. Dalam teori, model suatu sistem umumnya disusun dalam persamaan
matematik.
Jadi
kimia
komputasi
merupakan
jembatan
yang
menghubungkan hasil-hasil eksperimen di laboratorium dengan landasan teori. Hal ini dapat dilakukan, karena dalam kimia komputasi, suatu molekul dapat dimodelkan sesuai dengan bentuk nyatanya dengan menggunakan hasil dari pakar teoritis, tetapi perhitungan dilakukan dengan komputer berdasarkan suatu metode algoritma yang ditulis dalam bahasa pemrograman, sehingga sifat-sifatnya mudah dipelajari. Penelitian menggunakan komputer telah sampai pada tahap-tahap yang cukup rumit, sebagai contoh penelitian mengenai rekayasa genetika masa lalu, membuat desain-desain senyawa terbaru, baik dalam senyawa organik maupun senyawa anorganik (Kendal, 1995). Teknologi digital komputer yang tinggi memudahkan pengguna untuk menggunakan metode komputasi secara cepat dan efisien, sehingga persoalan mekanika kuantum, mekanika molekul, dinamika molekul, simulasi monte carlo untuk sistem yang rumit dapat dengan mudah diselesaikan. Obyek yang diamati dalam penelitian ini adalah senyawa obat antibiotik Eritromisin A dan turunannya yaitu senyawa
6,7
Δ
Anhidroeritromisin Anhidroeritromis in A. Dalam dunia
3
medis jika antibiotik eritromisin tidak disebutkan secara spesifik, maka yang dimaksud dengan eritromisin adalah Eritromisin A. Dalam penelitian ini, metode kimia komputasi akan digunakan untuk mempelajari dan mendapatkan informasi tentang ketahanan struktur senyawa obat eritromisin dan
6,7
Δ
anhidroeritromisin anhidroeritr omisin dalam suasana asam. Selama ini obat tersebut
memiliki kelemahan dalam hal ketahanan asam pada penggunaannya.
Di dalam
lambung, obat tersebut mengalami dekomposisi menjadi struktur yang tidak aktif dikarenakan oleh adanya asam lambung.
Semakin obat ini tahan terhadap asam
lambung, semakin lama efek pengobatan yang didapatkan. Metode kimia komputasi mampu menghitung energi senyawa tersebut serta menentukan bentuk / konformasi yang paling stabil. Penentuan energi terendah yang merupakan konformasi senyawa paling stabil akan dilakukan dengan metode semiempiris CNDO.
Dengan demikian dapat ditentukan pula model molekul
senyawa tersebut sedapat mungkin mendekati hasil eksperimen sebenarnya. Penentuan mekanisme reaksi didasarkan pada perhitungan energi keadaan transisi yang dicari dari beberapa struktur senyawa yang diajukan. Jalur mekanisme yang paling mungkin diprediksi oleh keadaan transisi yang paling stabil pada tiap langkahnya. Beberapa senyawa turunan eritromisin dan selanjutnya dihitung energinya masing-masing.
6,7
Δ
anhidroeritromisin dibuat dan
Dari data energi tersebut dicari
senyawa turunan yang paling stabil dan paling mungkin dijumpai dalam rangkaian mekanisme dekomposisi.
4
Pada akhir penelitian dapat diketahui apakah kedua senyawa eritromisin tersebut dapat terdekomposisi dalam suasana asam atau tidak, sehingga diketahui senyawa obat manakah yang lebih mudah rusak dan manakah yang lebih tahan terhadap asam lambung.
I.2 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk : 1. Mendapatkan 6,7
Δ
informasi
sifat
struktur
senyawa
eritromisin
dan
anhidroeritromisin secara teoritis dengan menggunakan perhitungan kimia
komputasi metode semiempiris CNDO. 2. Mendapatkan mekanisme yang paling mungkin mengenai reaksi dekomposisi senyawa eritromisin dan
6,7
Δ
anhidroeritromisin di dalam suasana asam.
3. Menentukan senyawa turunan eritromisin yang tahan terhadap suasana asam.
I.3 Batasan Masalah
Dalam penelitian ini, peneliti memberikan batasan-batasan : 1. Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan metode semiempiris CNDO. 2. Untuk mendapatkan bentuk paling stabil dilakukan optimasi geometri terhadap senyawa eritromisin dan
6,7
Δ
anhidroeritromisin beserta turunannya.
3. Reaksi dekomposisi senyawa eritromisin dan diteliti dibatasi hanya pada suasana asam saja.
6,7
Δ
anhidroeritromisin yang
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
II.1 Eritromisin II.1.1 Pengertian eritromisin
Eritromisin merupakan metabolit sekunder yang dihasilkan oleh suatu mikroorganisme dengan nama Saccharopolyspora erythraea. Senyawa ini masuk kategori antibiotik yang telah berhasil diisolasi pertama kali dari tanah di pulau Panai di Filipina (Nakayama, 1984). Selain dihasilkan oleh Saccharopolyspora erythraea, eritromisin juga diproduksi oleh Streptomyces griseoplamus, S. olivochromogenes, Arthrobacter sp., Micromonospora sp., dan Nacardia sp. (Omura dan Hutchinson,
1986). Meskipun eritromisin dihasilkan oleh beberapa mikroorganisme, namun hanya Sac. erythraea saja yang tidak menghasilkan antibiotik atau toksin lain kecuali
eritromisin. Eritromisin merupakan salah satu antibiotik pilihan bagi masyarakat dunia, utamanya bagi pasien yang sensitif terhadap antibiotik.
Eritromisin juga dipilih
karena dapat mengatasi bakteri patogen yang resisten terhadap turunan penisilin. Namun dalam penggunaannya terdapat sifat yang kurang menguntungkan dari eritromisin, yaitu ketidakstabilannya dalam suasana asam lambung. Ketidakstabilan ini disebabkan oleh antibiotik tersebut dalam suasana asam akan mengalami reaksi dekomposisi dan rusak menjadi senyawa yang tidak aktif. Sebagai akibat dari proses ini antibiotik akan mengalami penurunan aktivitas apabila digunakan secara per oral.
5
6
II.1.2 Struktur eritromisin
Berdasarkan strukturnya, eritromisin merupakan senyawa antibiotik golongan makrolida, karena tersusun atas cincin makrolakton yang disebut eritronolida dan mengikat
secara
glikosidik
(kladinosa/mikarosa). (kladinosa/mikar osa).
gula
amino
(desosamina)
serta
gula
netral
Sampai saat ini, enam macam senyawa eritromisin telah
diketahui, yaitu eritromisin A, B, C, D, E dan F. Eritromisin A merupakan komponen mayor serta memiliki aktivitas biologis paling efektif, sedangkan eritromisin B, C dan D merupakan komponen minor dan terbentuk sebagai zat antara dalam proses biosintesis eritromisin A (Sakakibara dan Omura, 1984). Eritromisin E dan F dihasilkan oleh suatu mutan sebagai hasil katabolisme dari eritromisin A, dan mempunyai aktivitas lebih rendah dari eritromisin A (Omura dan Tanaka, 1984 ; Seno dan Hutchinson, 1986). Eritromisin A mempunyai rumus molekul C 37H67NO13 dengan bobot molekul 733,22 (Budavari, 1989). Struktur Eritromisin A, B, C, D, E dan F dapat dilihat pada gambar II.1. Aglikon Desosamina H3C
O HO
9
3'
HO
O
O
6 11
R1
CH3 N
HO
12 O R2 3"
O
OH
O R3
O
Eritromisin
R1
R2
R3
R4
Gula netral
A B C D E F
OH H OH H OH OH
CH3 CH3 H H CH3 CH3
CH3 CH3 CH3 CH3 CH2 CH2OH
H H H H O H
Kladinosa Kladinosa Mikarosa Mikarosa Kladinosa Kladinosa
R4 O
Kladinosa/Mikarosa
Gambar II.1. Struktur kimia eritromisin dan turunannya yang terdapat di alam
7
II.1.3 Reaksi dekomposisi eritromisin
Reaksi dekomposisi eritromisin diawali oleh suatu serangan nukleofilik pada cincin makrolakton, sehingga pada akhir reaksi dihasilkan senyawa non aktif eritralosamin dan gula kladinosa.
Dengan adanya asam di dalam lambung
memberikan kontribusi terjadinya reaksi dekomposisi. Asam tersebut menginisiasi menginisiasi reaksi dekomposisi dengan mengubah gugus karbonil pada eritromisin menjadi lebih terprotonasi. Berdasarkan reaksi dekomposisi tersebut, beberapa
usaha telah dilakukan
untuk memodifikasi struktur eritromisin agar diperoleh turunan eritromisin yang stabil dalam suasana asam. Modifikasi struktur tersebut dilakukan dengan cara mengubah atau melindungi gugus-gugus yang berperan di dalam proses dekomposisi, yaitu gugus karbonil C9 dan hidroksil C6. Modifikasi eritromisin yang pernah dilakukan antara lain : modifikasi secara kimia, biosintesis hibrid dan rekayasa genetik. Modifikasi secara kimia dapat dilakukan dengan memodifikasi cincin makrolakton atau gula desosamin dan
kladinosa menjadi senyawa anhidronya.
Abbott Laboratories telah berhasil memproduksi klaritromisin (6-O-metileritromisin A) dengan melakukan metilasi pada gugus hidroksi pada C6, sedangkan azitromisin dan roksitromisin diproduksi dengan mengubah gugus karbonil pada C9 menjadi amina dan imina. Teknik lain, yaitu biosintesis hibrid dilakukan dengan cara menggabungkan aglikon dari suatu antibiotik dengan glikon dari antibiotik
lain.
Melalui cara ini Omura et al. (1983) berhasil membuat kimeramisin. Teknik rekayasa
8
genetik dilakukan dengan memodifikasi gen-gen yang berperan dalam proses biosintesis eritromisin seperti dilakukan oleh Donadio et al. (1993) yang berhasil membuat
6,7
Δ
dehidroeritromisin C melalui penggantian empat pasang basa pada gen
eryAII. Kelemahan utama eritromisin adalah ketidakstabilannya dalam suasana asam. Menurut Sakakibara dan Omura (1984), hal itu disebabkan dalam suasana asam eritromisin akan terdekomposisi menjadi senyawa yang tidak aktif (Gambar II.2). Reaksi dekomposisi eritromisin ini diinisiasi oleh serangan nukleofilik internal dari gugus hidroksi C6 terhadap gugus karbonil C9 dari cincin makrolakton eritromisin. Dekomposisi diakhiri dengan terbentuknya komponen eritromisin yang tidak aktif.
O
HO 9
O
HO
desosamin
HO
HO
O
O
6
HO
H+ O
O
H+
HO O
O
O
kladinosa
O O
O
Eritromisin A
desosamin
12
kl adinosa
O O
6,9-Hemiketaleritromisin A
O
H+
HO
- H2O
kl adinosa adinosa
O
HO
desosamin
6,9-Ketal-8,9-anhidroeritromisin A
O
HO
O
O
O
desosamin
H+ kl adinosa
O
O
O
desosamin
+
- H2O OH O
O
6,9;9,12-Spiroketal
O
Eritralosamin
Gambar II.2. Mekanisme M ekanisme dekomposisi eritromisin dalam suasana asam (Sakakibara and Omura, 1984)
Kladinosa
9
II.1.4 Modifikasi kimia struktur eritromisin
Dekomposisi eritromisin dapat dihindari dengan cara melakukan modifikasi struktur molekul eritromisin yaitu dengan mensubstitusi atau melindungi gugusgugus yang berperan dalam dekomposi tersebut, terutama gugus hidroksi pada C6 dan gugus karbonil C9. Gugus karbonil pada C9 berperan aktif dalam mekanisme aksi eritromisin, yaitu dalam hal menghambat sintesis protein melalui pengikatan sub unit 50s ribosom (Corcoran, 1994; Sakakibara dan Omura, 1994). Dengan demikian penghilangan gugus hidroksi pada C6 akan lebih baik daripada karbonil C9. Untuk mendapatkan turunan eritromisin baru yang stabil dalam suasana asam, telah dilakukan modifikasi struktur eritromisin khususnya pada gugus hidroksi C6 dan karbonil C9.
II.2
6,7
Anhidroeritromisin 6,7
Δ
anhidroeritromisin adalah turunan eritromisin yang tidak memiliki gugus
hidroksi C6, namun memiliki ikatan rangkap pada C6 dan 7. Modifikasi struktur eritromisin bisa dilakukan dengan teknik rekayasa genetik seperti yang dilakukan oleh Donadio et al. (1993). Dengan cara gen disruption, maka proses reduksi enoil dalam proses biosintesis eritronolid B tidak terjadi, dan melalui proses ini dihasilkan
6,7
Δ
anhidroeritromisin C. Dengan teknik yang lebih sederhana,
Sudibyo et al. (1999) berhasil menghasilkan
6,7
Δ
anhidroeritromisin D dengan cara
10
menambahkan antimetabolit isoniazid (INH) 0,10% ke dalam fermentasi Sac. erythraea ATCC 11912.
Penghambatan proses reduksi enoil juga telah dilakukan secara teknik fermentasi dengan penambahan antimetabolit INH pada Sac. erythraea ATCC 11912 6,7
Δ
yang kemudian menghasilkan
anhidroeritromisin D yang ternyata lebih tahan
asam daripada eritromisin (Sudibyo et al., 1999a,b; Jenie et al., 1999). O O SKoA
HOOC
O
CO2 CO2
K O OH
SKoA
HO OH
R
OH
NADPH + H+
NADP+
OH
O
SKoA
- H2O DH
O O ER
7
H OH
OH
6
H OH
O
SKoA
NADP+
NADPH + H+
OH
O
SKoA
NADPH + INH
O O
HO
12
OH
O O
OH
CH3
O
O
N
CH3 HO
12
O
OH
CH3
O
O
3"
Eritromisin A
O
CH3
O
OCH3 O
N
O OCH3
OH
3"
O
OH
Anhidroeritromisin Anhidroeritromisin A
Gambar II.3 Penghambatan reduksi enoil pada langkah biosintesis eritromisin oleh 6,7 INH, sehingga dihasilkan Δ anhidroeritromisin
11
II.3 Perkembangan Kimia Komputasi
Kimia komputasi merupakan cabang ilmu kimia. Metode komputasi telah mengubah ilmu kimia ke tingkat perkembangan yang cukup tinggi. Hasil prediksi sifat molekular secara komputasi telah dapat diverifikasi dengan hasil eksperimenn, bahkan dapat digunakan untuk menjelaskan fenomena kimia yang tidak dapat dilakukan dengan data dari instrumen sekarang. Dengan teknologi mikroprosesor sekarang, beberapa sistem molekular yang relatif besar dapat disimulasikan dalam komputer. Hasil yang diperoleh cukup representatif untuk model sistem nyata. Dalam skala molekular, model molekul diperluas ke sistem yang rumit yang perhitunganperhitungannya sukar diselesaikan tanpa menggunakan komputer. Pemodelan molekuler dapat digunakan untuk meniru kelakuan molekul dan sistem molekul (Boyd, 1995). Sulit membedakan arti “kimia teori”, “kimia komputasi” dan “pemodelan molekul”. Para ahli telah mempergunakan ketiga-tiganya dalam penelitian. Kimia teori biasa digunakan untuk merujuk mekanika kuantum. Kimia komputasi tidak hanya membicarakan mekanika kuantum saja, tetapi juga mekanika molekuler, minimisasi, simulasi, analisis konformasi dan metode komputasi lain untuk memahami serta memperkirakan perilaku sistem molekuler. Pemodelan molekul memakai semua metode tersebut. Model molekul dapat diartikan sebagai representasi dan manipulasi struktur molekul dan sifat yang berdasarkan atas struktur 3 dimensinya. Hal yang terpenting tentang gambar struktur 3 dimensi hasil komputasi
12
adalah tekniknya yang sekarang ini sudah mulai mendapat tempat, banyak digunakan dan diterima sebagai disiplin ilmu. (Leach, 1996)
II.4 Mekanika Kuantum
Metode kimia komputasi dapat dibedakan menjadi 2 bagian besar yaitu mekanika molekular dan metode struktur elektronik yang terdiri dari ab initio dan semiempiris. Kimia kuantum didasarkan pada postulat mekanika kuantum. Dalam kimia kuantum, sistem digambarkan sebagai fungsi gelombang yang dapat diperoleh dengan menyelesaikan persamaan Schrödinger. Persamaan ini berkait dengan sistem dalam keadaan stasioner dan energi mereka 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.
II.5 Metode Ab Metode Ab initio
Kimia komputasi memberikan hasil yang cukup akurat berkat hasil perhitungan persamaan Schrödinger. Sebuah molekul dianggap sebagai kumpulan kumpulan elektron (negatif) yang mengelilingi inti bermuatan positif.
Gaya tarik-menarik
antara dua partikel berbeda inilah yang selanjutnya menjadi dasar terbentuknya atom dan molekul.
Potensial antara dua partikel tersebut dengan muatan q i dan q j
dipisahkan oleh jarak r ij dapat ditunjukkan dengan persamaan :
13
V ij
= V ( r ij ) =
q i q j r ij
(2.1)
Persamaan mekanika kuantum yang berhubungan dengan hukum kedua Newton disajikan sebagai persamaan Schrödinger yang bergantung pada waktu. H Ψ
=
ih
∂Ψ ∂t
(2.2)
Jika operator Hamilton (H) tidak tergantung waktu, maka fungsi gelombang paut waktu dapat disajikan : H (r , t ) = H (r ) Ψ ( r , t ) = Ψ ( r )e
− iEt / h
(2.3) (2.4)
Selanjutnya persamaan Schrödinger dirumuskan menjadi : H (r )Ψ (r ) = E Ψ (r )
(2.5)
Persamaan tersebut menjelaskan tentang dualisme gelombang-partikel. Hasil kuadrat fungsi gelombang menunjukkan probabilitas menemukan partikel / elektron pada posisi tertentu. Persamaan Schrödinger tidak dapat diselesaikan secara eksak sehingga beberapa pendekatan harus dibuat. Pendekatan yang dipakai dalam kimia komputasi adalah Born-Oppenheimer.
Pendekatan ini menuliskan operator Hamilton total
sebagai energi kinetik serta energi potensial inti atom dan elektron-elektronnya. H tot
= T n + T e + V ne + V ee + V nn
(2.6)
14
Perhitungan komputasi dinamakan ab initio jika metode tersebut dibuat tanpa menggunakan data empiris, kecuali untuk tetapan dasar seperti massa elektron dan tetapan Planck yang diperlukan untuk sampai pada prediksi numerik. Metode ab initio tidak dapat disebut penyelesaian eksak. Teori ab initio adalah sebuah konsep
perhitungan yang bersifat umum dari penyelesaian persamaan Schrödinger yang secara praktis dapat diprediksi tentang keakuratan dan kesalahannya.
Kelemahan
metode ab initio adalah kebutuhan yang besar terhadap kemampuan dan kecepatan komputer.
II.6 Metode Semiempiris
Metode semiempiris dan ab initio menggunakan mekanika kuantum. Metode ab initio memperhitungkan semua elektron yang terdapat dalam sebuah molekul,
sedangkan metode semiempiris hanya memperhitungkan elektron-elektron yang dianggap paling berperan dan penting di dalam pembentukan ikatan pada suatu sistem. Secara umum, metode semiempiris menggunakan pendekatan orbital molekul atau LCAO ( Linear Combination of Atomic Orbital = kombinasi linier orbital atom) dan memasukkan parameter empiris.
Metode semiempiris diselesaikan dengan
persamaan Schrödinger melalui pendekatan-pendekatan yang menggambarkan sifat elektronik atom-atom dan molekul dengan membuat penyederhanaan dan pengabaian integral interaksi tertentu.
15
II.7 Metode CNDO (Complete (Complete Neglect of Differential Overlap) Overlap)
Salah satu metode semiempiris yang sederhana adalah metode CNDO. Metode ini merupakan penyederhanaan dari metode SCF ( Self Consistent Field = Medan Keajekan Diri). CNDO sangat berguna dalam perhitungan sifat elektronik keadaan dasar dari sistem kulit terbuka dan sistem kulit tertutup ( open and close shell system), optimasi geometri dan energi total. Pada pendekatan metode CNDO, hanya
integral coulomb satu pusat dan integral dua pusat dua elektron yang dipakai. Pendekatan untuk integral satu elektron dalam CNDO sama dengan INDO. Metode Praiser-Pople-Parr (PPP) dapat dipertimbangkan sebagai pendekatan CNDO di mana hanya elektron
π
yang diubah.
Metode CNDO dapat digunakan untuk molekul-
molekul yang mengandung unsur H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Ne, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar, Ge, As, Se, dan Br.
II.8 Pemodelan Molekul
Dalam eksperimen, hasil pengukuran sistem kimia dinyatakan dalam bentuk numerik. Dalam teori, model model suatu sistem pada umumnya disusun dalam bentuk himpunan persamaan matematik. Permasalahannya adalah bagaimana mencari solusi matematik dengan bantuan data-data numerik. Dalam banyak hal, pemodelan diikuti oleh
penyederhanaan
permasalahan
dalam
upaya
menghindari
kompleksitas
perhitungan, sehingga sering aplikasi dari model teoritis ini tidak dapat menjelaskan bentuk nyata dari sistem makroskopis, seperti sistem larutan, protein dan lain-lain.
16
Perkembangan kimia komputasi yang sangat pesat telah mengubah deskripsi suatu sistem kimia dengan masuknya unsur baru di antara eksperimen dan teori yaitu eksperimen komputer ( Computer Experiment ). ). Dalam eksperimen komputer, model masih tetap menggunakan hasil dari data teoritis, tetapi perhitungan dilakukan dengan komputer berdasar algoritma yang dituliskan dalam bahasa pemrograman. Akurasi hasil perhitungan sifat molekul yang kompleks dapat diverifikasi dengan data eksperimen.
II.9 Optimasi Geometri
Inti prosedur optimasi suatu struktur molekul adalah membandingkan energi struktur didapatkan dengan struktur sebelumnya. Energi struktur yang lebih rendah dari sebelumnya menunjukkan kestabilan struktur dibandingkan sebelumnya. Prosedur ini diulang sampai mendapatkan energi struktur yang tidak jauh berbeda dengan sebelumnya. Penentuan struktur yang stabil dari molekul merupakan langkah perhitungan yang paling umum terjadi pada pemodelan molekul.
Energi relatif dari struktur
teroptimasi yang berbeda akan menentukan kestabilan konformasi, keseimbangan isomerisasi, panas reaksi, produk reaksi, dan banyak aspek lain dari kimia. Ada 4 jenis metode optimasi yang sering digunakan, yaitu : 1. Steepest descent , dikhususkan untuk perhitungan yang cepat agar menghilangkan sterik yang berlebihan dan masalah tolakan pada struktur awal. 2. Conjugate gradient Fletcher-Reeves untuk mencapai konvergensi yang efisien.
17
3. Conjugate gradient Polak-Riebere hampir sama dengan metode Fletcher-Reeves, yaitu untuk mencapai konvergensi yang efisien. 4. Block-diagonal Newton-Raphson (hanya untuk MM+), yang memindahkan satu atom pada suatu waktu dengan menggunakan informasi turunan keduanya. Algoritma
Conjugate
gradient lebih
baik
dibandingkan
dengan
Steepest descent . Perbedaan terdapat pada metode metode perhitungannya.
algoritma
BAB III LANDASAN TEORITIK, HIPOTESIS DAN RANCANGAN PENELITIAN
III.1 Landasan Teoritik
Makrolida telah dianggap sebagai antibiotik yang penting sejak diketemukan pada tahun 1952.
Makrolida pertama yang bernama eritromisin pada awalnya
diisolasi dari kaldu yang mengandung mikroorganisme Streptomyces erythreus yang sekarang dikenal sebagai Saccharopolyspora erythraea. Struktur dasar dari makrolida adalah rantai besar 14 karbon yang mengandung gugus metil dan hidroksi di dalamnya. Gula amino (D-desosamin) dan gula netral (L-kladinosa) selalu ada pada senyawa jenis ini. Selama tahun 50-an telah terbukti bahwa obat ini manjur untuk mengobati infeksi-infeksi pernapasan, kulit, jaringan tubuh, dan organ-organ reproduksi. Pada umumnya obat ini efektif digunakan untuk melawan bakteri gram positif, selain itu dapat juga untuk melawan gram negatif dan pseudomonas. Makrolida dapat digunakan dengan cara disuntikkan maupun ditelan (secara oral) dalam bentuk tablet, kapsul atau suspensi. Meski memiliki kegunaan yang cukup luas, makrolida memiliki kelemahan yaitu sifatnya yang labil terhadap asam. Sudah banyak dikenal, antibiotik tersebut aman dan efektif sehingga sudah banyak dokter yang memberikan resepnya untuk orang dewasa maupun anak-anak.
18
19
Antibiotik golongan ini memberikan mekanisme aksi yang mirip seperti lincomycins dan streptogramins yang meliputi inhibisi fungsi bakteri ribosomal.
Pada perkembangannya terbukti banyak bakteri yang berhasil meningkatkan kekebalannya terhadap antibiotik tersebut.
Kekebalan atas obat ini telah dikaji
selama bertahun-tahun oleh para ilmuwan di seluruh dunia. Bagaimanapun juga obatobat baru dengan karakteristik molekulnya yang berbeda-beda telah dikembangkan untuk mengatasi masalah ini. Eritromisin merupakan salah satu antibiotik yang sudah dikenal banyak orang di dunia. Eritromisin kurang bermanfaat bila digunakan secara oral, karena mudah mudah terdekomposisi dalam suasana asam. Proses dekomposisi tersebut diawali dengan adanya serangan nukleofilik internal dari gugus hidroksi C6 terhadap gugus karbonil C9 pada cincin makrolakton (Sakakibara dan Omura, 1984). Eritromisin relatif tidak stabil di dalam suasana asam dikarenakan beberapa masalah struktural di dalam molekulnya. Berdasarkan sifat tersebut, obat masih masih tetap dikonsumsi secara oral tetapi dibungkus dalam bentuk tablet.
Rumusan untuk
membungkus obat ini adalah garam dengan gula amina atau sebagai ester dengan gugus hidroksi gula. Formulasi ini ditujukan untuk meningkatkan ketahanan obat di dalam asam dan kemudian meningkatkan bioaktifitasnya yang selanjutnya membuat eritromisin dapat dikonsumsi secara oral. Modifikasi struktur eritromisin untuk mendapatkan antibiotik yang lebih tahan dalam suasana asam dapat dilakukan dengan cara mengubah gugus-gugus yang
20
menyebabkan serangan nukleofilik, yaitu gugus hidroksi C6 dan karbonil C9. Seperti diketahui bahwa gugus karbonil C9 berperan aktif dalam mekanisme aksi eritromisin, yaitu dalam hal menghambat sintesis protein melalui pengikatan sub unit 50s ribosom (Corcoran, 1994; Sakakibara dan Omura, 1994)., maka modifikasi terhadap gugus hidroksi C6 lebih mungkin dilakukan. 6,7
Δ
anhidroeritromisin adalah turunan eritromisin yang memiliki ikatan
rangkap (tak jenuh) pada C6 dan 7, namun tidak memiliki gugus hidroksi C6 pada cincin makrolaktonnya. Tidak adanya gugus hidroksi tersebut menyebabkan turunan eritromisin ini lebih tahan dalam suasana asam. Hilangnya gugus hidroksi C6 pada
6,7
Δ
anhidroeritromisin menyebabkan senyawa ini memiliki ketahanan asam
sampai pH 3 (Sudibyo et al, 1999), namun terbentuknya ikatan rangkap
6,7
Δ
menyebabkan senyawa ini memiliki struktur ruang yang berbeda dari eritromisin. Seperti diketahui bahwa eritromisin mengalami reaksi dekomposisi di dalam lambung akibat suasana yang cukup asam, bagi
6,7
Δ
anhidroeritromisin sulit untuk terjadi
reaksi dekomposisi karena tidak adanya gugus hidroksi yang seharusnya menginisiasi reaksi tersebut. Seluruh proses kimia yang terjadi tersebut dapat dimodelkan dengan metode kimia komputasi. Dari struktur kimia yang diamati dapat diambil data energi ikatan yang dihasilkannya. Setiap proses yang terjadi memberikan hasil perhitungan energi ikatan kimia yang berbeda-beda. Selisih energi itulah yang selanjutnya digunakan untuk memprediksi mekanisme reaksi dekomposisi yang benar dari senyawa tersebut.
21
Mekanisme reaksi dekomposisi eritromisin dan
6,7
Δ
anhidroeritromisin di
dalam lambung memberikan arti bahwa obat yang telah dimodifikasi akan lebih menguntungkan untuk dikonsumsi. Eritromisin memiliki keterbatasan karena tidak punya waktu yang cukup lama untuk melakukan tugasnya membunuh bakteri patogen. Sedangkan
6,7
Δ
anhidroeritromisin memiliki waktu yang lebih lama berada
di dalam lambung, sehingga cukup untuk mengatasi bakteri penyebab penyakit tersebut.
III.2 Hipotesis
Senyawa eritromisin dan
6,7
Δ
anhidroeritromisin merupakan suatu senyawa
obat yang memiliki perbedaan struktur pada ikatan antara atom C6-C7.
Dari
penelitian yang pernah ada, diketahui aktivitas obat keduanya berbeda. Berdasarkan teori ini dapat diambil hipotesis yaitu : Dengan tidak ada gugus –OH yang terikat di C6 pada senyawa 6,7
anhidroeritromisin menyebabkan senyawa tersebut lebih tahan terhadap
asam dibanding dengan eritromisin. Metode CNDO dapat digunakan untuk memprediksi mekanisme reaksi dekomposisi senyawa eritromisin dan benar.
6,7
anhidroeritromisin tersebut secara
22
III.3 Rancangan Penelitian
Senyawa
eritromisin
dan
6,7
Δ
anhidroeritromisin
dimodelkan
dengan
komputasi dan dilakukan optimasi geometri untuk memperoleh bentuk serta konformasinya yang paling stabil. Dari kedua senyawa obat tersebut, diprediksikan senyawa-senyawa hipotetis hasil dekomposisi oleh asam (termasuk transition state structures) untuk merancang suatu jalur mekanisme reaksi dekomposisi dalam
suasana asam. Tiap senyawa turunan dioptimasi dan dihitung energinya untuk selanjutnya dihitung energi ikatan dari setiap langkah mekanisme. Dengan demikian didapatkan mekanisme dekomposisi senyawa eritromisin dan yang benar.
6,7
Δ
anhidroeritromisin
BAB IV METODE PENELITIAN
IV.1 Peralatan Penelitian IV.1.1 Perangkat keras
Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan komputer di Pusat Kimia Komputasi
Indonesia-Austria
(PKKIA)
FMIPA
Universitas
Gadjah
Mada.
Spesifikasi komputer yang digunakan adalah sebagai berikut : 1. Prosesor Intel Pentium 4 CPU 2,66 GHz 2. Harddisk 20 GB RAM ) 256 MB 3. Random Access Memory ( RAM
4. Display Card (VGA) 64 MB
IV.1.2 Perangkat lunak
Prosedur penelitian meliputi pemodelan molekul senyawa obat eritromisin dan
6,7
Δ
anhidroeritromisin, optimasi geometri, hingga pengukuran energi molekul
menggunakan program HyperChem 7.0 for Windows. Di dalam penelitian ini dipergunakan program untuk memodelkan senyawa eritromisin dan
6,7
Δ
anhidroeritromisin secara 2 dimensi, yaitu dengan CS ChemDraw
Ultra 6.0 for Windows.
23
24
IV.2 Materi Penelitian
Materi penelitian yang digunakan dalam penelitian ini berupa model dari senyawa antibiotik : 1. eritromisin 2.
6,7
Δ
anhidroeritromisin
Aglikon
Aglikon Desosamin
Desosamin
H 3C
O HO
HO
CH3
HO
N
O
O
H 3C
O
HO
CH3 N
O
O
HO HO
HO H3CO
H3CO
O
O OH
O
OH
O
O
O
H
H
O
O
Kladinosa
(a)
Kladinosa
(b)
Gambar IV.1 Struktur 2 dimensi senyawa eritromisin (a) 6,7 dan Δ anhidroeritromisin (b)
IV.3 Prosedur Kerja IV.3.1 Pembuatan senyawa awal
Untuk melakukan penelitian ini dibutuhkan struktur 3 dimensi dari senyawa eritromisin dan
6,7
Δ
anhidroeritromisin dengan bentuk serta konfigurasi yang tepat.
Langkah pertama adalah memodelkan senyawa tersebut secara 2 dimensi. Dari dasar dua gambar senyawa tersebut dibuat struktur 3 dimensi dengan mempergunakan
25
program Hyperchem. Untuk mendapatkan konfigurasi yang tepat, diambil informasi dari literatur dan penelitian terdahulu. Sebagai dasar informasi, dipakai konfigurasi hasil penelitian Sakakibara dan Omura, 1984. Untuk konfirmasi konfigurasi yang lebih tepat, diambil juga data dari situs www.ncbi.nlm.nih.gov yang memuat database protein dalam format pdb atau protein data bank .
Dengan demikian, diperoleh konfigurasi setiap atom C kiral yang benar dan tepat.
Struktur yang sudah jadi tersebut disimpan dengan jenis file *.hin dan
selanjutnya digunakan sebagai senyawa awal pada penelitian ini.
IV.3.2 Optimasi geometri
Langkah berikutnya adalah meminimisasi struktur dengan menjalankan optimasi geometri terhadap senyawa tersebut. Sebelum dilakukan optimasi geometri, diseting dahulu metode perhitungan dengan semiempiris CNDO melalui menu Setup. Setelah itu dipilih Menu Compute, Geometry Optimization dan kemudian diklik OK. Setiap akan melakukan perhitungan apapun dibuat log files untuk mencatat proses yang terjadi. 6,7
maupun Δ
Optimasi geometri ini dilakukan baik untuk senyawa eritromisin
anhidroeritromisin.
IV.3.3 Analisis struktur senyawa obat
Untuk menganalisis eritromisin maupun
6,7
Δ
anhidroeritromisin dibutuhkan
data energi dari log files yang telah diperoleh dari hasil optimasi. Selanjutnya dicari panjang ikatan, sudut, serta momen dipol dari beberapa atom pada kedua senyawa
26
tersebut. Mengacu pada data yang diperoleh, dilakukan analisis untuk mencari sifatsifat struktur tersebut.
IV.3.4 Mekanisme dekomposisi eritromisin
Mekanisme reaksi dekomposisi senyawa eritromisin dapat diprediksi dengan cara menghitung energi binding dari masing-masing senyawa obat tersebut dan senyawa-senyawa senyawa-senyaw a turunan yang mungkin dapat terjadi. Senyawa turunan tersebut dirancang dengan berpedoman pada struktur awal eritromisin yang telah diperoleh dari langkah sebelumnya.
Senyawa dengan energi paling rendah dipilih sebagai
senyawa yang dipakai pada rancangan jalur mekanisme dekomposisi.
Pemilihan
senyawa dengan energi paling rendah didasarkan pada kestabilannya di antara yang lain.
IV.3.5 Mekanisme dekomposisi
6,7
anhidroeritromisin
Mekanisme reaksi dekomposisi senyawa
6,7
Δ
anhidroeritromisin dapat
diprediksi dengan cara yang sama, yaitu menghitung energi binding dari masingmasing senyawa obat beserta turunannya. Senyawa turunan tersebut juga dirancang dengan berpedoman pada struktur awal
6,7
Δ
anhidroeritromisin yang telah ada.
Senyawa dengan energi terendah dipilih untuk dimasukkan dalam jalur mekanisme reaksi dekomposisi sehingga didapatkan mekanisme yang benar.
BAB V HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
V.1 Pemodelan Senyawa Eritromisin dan
6,7
Anhidroeritromisin
Penelitian ini mengkaji struktur eritromisin dan
6,7
Δ
anhidroeritromisin
dengan menggunakan metode semiempiris CNDO. Pemilihan metode CNDO didasarkan pada keakuratan dari metode ini dibandingkan dengan metode mekanika molekuler dan waktu yang dibutuhkan dalam proses hitungan relatif singkat dibandingkan metode semiempiris semiempiris yang lain. lain. Hasil perhitungan dengan metode ini diharapkan bisa mendekati sifat struktur senyawa obat hasil eksperimen di skala laboratorium. Struktur senyawa obat tersebut dimodelkan secara 2 dimensi berdasarkan penelitian terdahulu (Sakakibara dan Omura, 1984) sesuai dengan gambar V.1. Aglikon Desosamina H3C
O HO
HO
CH3 N
O
O HO
HO H3CO O OH
O O H O
Kladinosa
Gambar V.1 Struktur 2 dimensi d imensi eritromisin
27
28
Dari gambar V.1 dimensi tersebut diubah ke model struktur 3 dimensi (gambar V.2). Pada umumnya senyawa obat sangat spesifik spesifik untuk suatu reaksi reaksi tertentu dan mempunyai konformasi yang yang tepat. Oleh sebab sebab itu, data tentang tentang konformasi serta konfigurasi yang benar dari senyawa eritromisin dan
6,7
Δ
anhidroeritromisin sangat dibutuhkan. dibutuhkan. File pdb struktur eritromisin (konformasi struktur yang benar) diambil dari internet internet (www.ncbi.nlm.nih.gov). File pdb tersebut tersebut selanjutnya diubah menjadi menjadi file file hin seperti terlihat pada gambar gambar V.2.
Untuk
selanjutnya gambar tersebut disebut sebagai senyawa awal.
Gambar V.2 Struktur 3 dimensi d imensi eritromisin Dari struktur senyawa awal yang sudah ada itu selanjutnya dimodifikasi pada ikatan antara atom C6 dan C7 dari ikatan tunggal menjadi ikatan rangkap dua dengan menghilangkan gugus –OH yang terikat terikat pada atom C6. Dengan demikian struktur senyawa 6,7
Δ
tersebut
menjadi
6,7
Δ
anhidroeritromisin.
Model
senyawa
anhidroeritromisin digambarkan dalam 2 dimensi seperti dalam gambar V.3.
29
Aglikon Desosamina H3C
O HO
HO
CH3 N
O
O
HO H3CO O OH
O O H O
Kladinosa
Gambar V.3 Struktur 2 dimensi Δ6,7 anhidroeritromisin Struktur
6,7
Δ
anhidroeritromisin yang sudah jadi disimpan dalam bentuk file hin
disajikan dalam gambar V.4.
Gambar V.4 Struktur 3 dimensi Δ6,7 anhidroeritromisin
30
V.2 Optimasi Geometri Senyawa Eritromisin dan
6,7
Anhidroeritromisin
Dalam penelitian ini, perhitungan energi total dilakukan terhadap geometri teroptimasi dari struktur senyawa turunan eritromisin dan
6,7
Δ
anhidroeritromisin.
Tujuan dari optimasi geometri ini adalah untuk menghitung energi terendah dan gayagaya atomik terkecil serta untuk menampilkan struktur molekul, sedemikian rupa sehingga mendekati struktur yang sebenarnya. Optimasi dikendalikan suatu nilai tertentu yang didefinisikan sebelumnya sebagai batas ( cut
off )
proses perhitungan
yang telah dicapai yakni geometri molekul dikatakan telah teroptimasi. Batas energi gradien
yang
dipergunakan
dalam
optimasi
geometri
adalah
sebesar
0,01 kkal/(Å.mol). Optimasi dengan nilai batas gradien gradien yang lebih kecil kecil akan memberikan struktur geometri yang lebih bagus tetapi memakan waktu yang relatif lebih lama. Hal ini terlihat pada pada optimasi kedua senyawa awal. Putaran maksimum (maximum cycles) yang dipakai dalam optimasi ini adalah 32000 kali putaran. Struktur senyawa obat yang dianalisis dianalisis cukup besar dengan 115 atom lebih, sehingga membutuhkan putaran yang cukup banyak untuk mencapai konvergensi fungsi gelombangnya.
V.3 Analisis Struktur Senyawa Obat
Pada mulanya penelitian ini mempergunakan metode perhitungan
ab initio
dengan basis set DZP (Double Zeta Polarization). Dengan kemampuan kemampuan komputer yang ada, senyawa yang memiliki lebih dari 115 atom dan konformasi yang sangat
31
kompleks ini tidak dapat dioptimasi dengan metode ab initio. Penggunaan himpunan basis yang lebih sederhana (STO-3G) tidak menyelesaikan masalah (waktu perhitungan). Selanjutnya peneliti mencoba metode semiempiris semiempiris ZINDO/S. ZINDO/S. Dalam metode ini tidak keluar lagi pesan kesalahan seperti halnya pada metode
ab initio.
Gradien
energi yang dipergunakan pun sebesar 0,01 kkal/mol dan tidak perlu diturunkan menjadi 0,1 kkal/mol. Proses optimasi geometri geometri dapat berjalan berjalan dengan lancar, akan akan tetapi proses tersebut tidak kunjung selesai hingga lebih dari satu minggu. Kasus perhitungan
ab initio
dan semiempiris tersebut merupakan kelemahan perangkat
komputer yang tidak mampu untuk perhitungan atas senyawa yang beranggotakan 115 atom lebih. Metode semiempiris CNDO yang tergolong sederhana menjadi pilihan akhir untuk menghitung menghitung semua semua senyawa senyawa pada penelitian ini.
Hasil
pengamatan, menunjukkan bahwa waktu hitung optimasi geometri adalah sekitar 3 – 24 jam per senyawa. Waktu ini adalah jauh lebih cepat bila dibandingkan metode yang dicoba sebelumnya. Parameter yang dicari dalam optimasi adalah panjang ikatan, sudut ikatan, dan momen dipol. Pengamatan semua semua sudut dan jarak ikatan ikatan atom-atom dalam struktur senyawa obat membutuhkan waktu dan mudah timbul kesalahan akibat kelelahan mata pengamat. Oleh sebab itu, pengamatan hanya ditujukan pada daerah gugus yang berperanan pada dekomposisi oleh asam. Struktur penting gugus tersebut disajikan dalam gambar V.5.
32
Analisis dilakukan terhadap dua struktur senyawa awal yaitu eritromisin dan 6,7
Δ
anhidroeritromisin untuk mencari perbedaan sifat yang dimiliki oleh kedua
senyawa tersebut tersebut yang memiliki memiliki karakteristik karakteristik yang yang berbeda terhadap asam. asam. Atas dasar analisis ini dapat ditentukan mekanisme reaksi dekomposisi dalam suasana asam. O
O
9
9
8 7
7
OH
6
6 (a)
8
(b)
Gambar V.5 Gugus penting dalam dekomposisi eritromisin (a) dan 6,7 Δ anhidroeritromsin (b) oleh asam lambung Ada perbedaan mendasar mendasar antara kedua senyawa senyawa tersebut. Mula-mula atom C6 dan C7 senyawa eritromisin memiliki hibridisasi sp 3. Namun setelah dimodifikasi, hibridisasinya berubah menjadi sp 2. Atom C diketahui dengan dengan hibridisasi sp3 mampu menyusun struktur berbentuk tetrahedral, akan tetapi atom C dengan hibridisasi sp2 di dalam senyawa tersebut membuat strukturnya menjadi datar ( flat ) pada C6 dan C7. Dengan adanya bagian yang datar dalam struktur cincin besar tersebut menyebabkan konformasi senyawa senyawa berubah secara keseluruhan. Perubahan terlihat jelas pada pada panjang ikatan, sudut, dan polaritasnya.
33
Jarak ikat gugus C=O karbonil senyawa eritromisin hasil perhitungan CNDO adalah 1,36929Å lebih panjang dibandingkan senyawa
6,7
Δ
anhidroeritromsin
(1,35423Å). Perbedaan jarak sebesar 0,01506Å ini merupakan hasil dari perubahan konformasi senyawa obat itu dari struktur Eritromisin menjadi senyawa anhidro-nya. Berkurangnya tolakan antar atom di sekitar gugus karbonil memungkinkan jarak ikat C=O karbonil semakin semakin pendek. Gugus yang sangat berpengaruh pada pengurangan panjang ikatan ini adalah adalah gugus –OH yang terikat pada atom atom C6. Pada senyawa obat 6,7
Δ
anhidroeritromsin gugus –OH tersebut tidak ada, jadi tolakan yang seharusnya
terjadi terhadap C=O karbonil menjadi tidak ada lagi. Akibat dari perubahan konformasi itu juga berpengaruh pada besar sudut. Setelah senyawa dimodifikasi ternyata konformasinya berubah cukup signifikan. Sudut torsi senyawa eritromisin antara O karbonil–C9–C8–C6 berbeda cukup jauh dari sudut torsi struktur
6,7
Δ
anhidroeritromsin. Selisih sudut torsi kedua senyawa senyawa obat
tersebut adalah sebesar 170,8375 o. Hasil perhitungan dengan menggunakan metode CNDO menunjukkan bahwa momen dipol eritromisin dan 8,14D.
6,7
Δ
anhidroeritromisin terukur sebesar 9,555D dan
Dari sini terlihat bahwa momen momen dipol eritromisin 1,415D lebih tinggi
dibandingkan dengan
6,7
Δ
anhidroeritromisin. Peniadaan gugus –OH pada C6
menurunkan polaritas senyawa dengan cukup tajam. Hal ini dapat dipahami, karena gugus –OH termasuk gugus yang mempunyai polaritas tinggi. Polaritas kedua senyawa ini masih jauh di atas air, mengingat momen dipol air adalah 1,84D. Fakta
34
penurunan polaritas ini memberikan alasan bagaimana hasil eksperimen menunjukan eritromisin sensitif terhadap gugus asam dan terjadi penurunan sensitifitasnya pada 6,7
Δ
anhidroeritromisin.
V.4 Perhitungan Energi Ikat Total
Tujuan utama penelitian ini adalah menentukan jalur mekanisme yang paling mungkin atas atas reaksi reaksi dekomposisi senyawa obat.
Setelah ditinjau konformasi
geometri, panjang ikatan, besar sudut dan momen dipolnya, perlu dilakukan tinjauan energi ikat totalnya. Semakin rendah energi energi ikat total suatu senyawa senyawa maka semakin stabil senyawa tersebut. Untuk menentukan energi ikat total maka dilakukan optimasi geometri yang bertujuan untuk menghitung energi energi terendah dan gaya-gaya atomik atomik terkecil. Setiap bentuk geometri suatu molekul memiliki energi potensial. Optimasi geometri dilakukan terhadap senyawa obat eritromisin beserta turunannya. turunannya. Turunan senyawa eritromisin diperoleh dengan cara memprediksi model-model struktur yang mungkin terjadi apabila apabila senyawa itu itu direaksikan. Gugus-gugus penting yang terikat terikat menjadi perhatian utama untuk merancang senyawa turunan yang diusulkan, misalnya seperti gugus –OH, C=O karbonil, C–O–C, dan lain sebagainya. Hasil optimasi geometri adalah suatu kumpulan data di dalam sebuah berkas yang disebut
log files.
Di dalamnya tercantum data-data perhitungan yang penting
termasuk data energi ikatan. ikatan. Berdasarkan data energi energi ikatan senyawa eritromisin eritromisin dan
35
6,7
Δ
anhidroeritromisin, anhidroeritromis in, dapat ditentukan juga energi ikatan turunan-turunannya. Data
yang diperoleh ini akan digunakan untuk menentukan jalur mekanisme reaksi dekomposisi yang paling mungkin dalam suasana asam.
Perhitungan dilakukan
dengan menggunakan rumusan energi ikat total (persamaan 5.1). ΔEbinding
= Eproduk - Ereaktan
(5.1)
di mana ΔEbinding adalah energi ikat struktur pada tiap-tiap tahap reaksi, E produk adalah energi total senyawa produk, dan E reaktan adalah energi total senyawa reaktan.
V.5 Mekanisme Dekomposisi Eritromisin
Para peneliti telah mengemukakan bahwa eritromisin merupakan senyawa obat yang tidak tahan asam, sehingga di dalam lambung obat ini akan terdekomposisi (Sakakibara and Omura, 1984). Beberapa cara telah ditemukan untuk meningkatkan efektivitasnya (Sudibyo et al. 1999). Selama ini kelemahan tersebut diatasi dengan membungkus obat tersebut dalam bentuk kapsul atau tablet untuk penggunaan obat secara oral. Sebagai pilihan solusi yang lebih baik, kelemahan eritromisin yang tidak tahan asam di dalam lambung dapat diatasi dengan cara mengkonversi senyawa itu menjadi senyawa yang lebih tahan asam. Reaksi dekomposisi eritromisin diinisiasi oleh adanya serangan nukleofilik dari gugus
hidroksi (-OH) C6 terhadap gugus karboksil
(C=O) C9 pada cincin
makrolakton sehingga pada akhir reaksi menghasilkan senyawa non aktif eritralosamin dan gula kladinosa (Sakakibara dan Omura, 1984).
36
Gambar V.6 menunjukkan mekanisme reaksi dekomposisi yang terjadi terhadap senyawa senyawa eritromisin. eritromisin. disebabkan
oleh
adanya
Pada mekanisme reaksi tersebut, tersebut, suasana suasana asam
asam
lambung.
Reaksi
dekomposisi
dapat
merepresentasikan merepresentasikan keadaan eritromisin apabila berada di dalam lambung. O
HO 9
O
HO
desosamin
HO
HO
O
O
6
HO
H+ O
O
H+
HO
kladinosa
O
O
HO
- H2O
O
kladinosa
O O O
O
Eritromisin A
desosamin
12
kladinosa
O O
6,9-Hemiketaleritromisin 6,9-Hemiketaleritromisin A
O
H+
HO
desosamin
6,9-Ketal-8,9-anhidroeritromisin A
O
HO
O
O
O
desosamin
H+ kl adinosa
O
O
+
- H2O
O
desosamin
Kladinosa
OH O
O
6,9;9,12-Spiroketal
O
Eritralosamin
Gambar V.6 Mekanisme dekomposisi eritromisin dalam suasana asam (Sakakibara dan Omura, 1984) Optimasi geometri dilakukan terhadap semua senyawa turunan eritromisin. Setiap tahap dari dari mekanisme dianalisis dianalisis berdasarkan berdasarkan perhitungan energi. Perhitungan dilakukan dengan menggunakan rumusan energi ikat total (ΔEbinding). Setiap senyawa turunan eritromisin eritromisin dihitung energi energi ikatnya. Setiap tahap tahap reaksi yang energi ikat totalnya paling rendah rendah kemudian kemudian diurutkan.
Atas dasar inilah tersusun suatu suatu
mekanisme yang tepat untuk reaksi dekomposisi tersebut.
37
Untuk mempermudah pembahasan, senyawa-senyawa turunan eritromisin diberi nama nama “senyawa” “senyawa” dan diurutkan dengan angka. Beberapa variasi turunan eritromisin tersebut tersebut memberikan memberikan harga energi energi yang berbeda-beda. berbeda-beda. Energi masingmasing turunan disajikan pada Tabel V.1.
Tabel V.1 Data energi dari perhitungan semiempiris CNDO beberapa senyawa turunan eritromisin Energi ikat Energi total Nama Senyawa (kkal/mol) (kkal/mol) erit eritro romi misi sinn -31 -31928 928,5 ,577 -3563 -356380 80,22 ,22 seny senyaw awaa 1 -3203 -32033, 3,81 81 -3564 -356485 85,46 ,46 seny senyaw awaa 2 -3202 -32021, 1,70 70 -3564 -356473 73,35 ,35 seny senyaw awaa 3 -3200 -32006, 6,79 79 -3564 -356458 58,45 ,45 seny senyaw awaa 4 -3154 -31544, 4,67 67 -3438 -343847 47,97 ,97 seny senyaw awaa 5 -3150 -31502, 2,19 19 -3438 -343805 05,49 ,49 seny senyaw awaa 6 -3153 -31533, 3,72 72 -3438 -343837 37,02 ,02 seny senyaw awaa 7 -3182 -31821, 1,42 42 -3441 -344124 24,73 ,73 seny senyaw awaa 8 -3166 -31667, 7,36 36 -3439 -343970 70,66 ,66 seny senyaw awaa 9 -2449 -24490, 0,71 71 -2540 -254045 45,17 ,17 senyawa 10 (kladinosa) -7210,20 -89959,04 seny senyaw awaa 11 -2428 -24284, 4,70 70 -2538 -253839 39,16 ,16 H2O -3 -333,69 -12482,03 H+ 4 0 0,8 1 0 ,0 0 Usulan jalur mekanisme mekanisme reaksi telah telah dibuat pada penelitian penelitian ini. Dari senyawa eritromisin diturunkan beberapa beberapa senyawa yang mungkin terjadi. terjadi. Secara lengkap lengkap jalur tersebut dapat dilihat di lampiran 2 pada bagian akhir skripsi ini.
38
Reaksi dekomposisi dimulai dengan satu proses protonasi yang terjadi pada salah satu karbonil karbonil yang dimiliki oleh senyawa senyawa eritromisin. eritromisin. Proses protonasi yang terjadi atas atom C9 membuat ikatan ikatan karbonil C=O terpolarisasi. terpolarisasi. Adanya sumbangan proton (H+) dari lingkungan yang diserang oleh atom O terpolar mengubah ikatan karbonil C=O menjadi gugus alkohol C-OH. Gambar V.7 memperlihatkan posisi karbonil yang mengalami protonasi. −
δ O
HO
+
δ
8
9
7
H
6
10
HO
8
9
+
7 6
10
HO
11
11
Gambar V.7 Protonasi pada C9 senyawa eritromisin O
HO
O HO
O
d es es os os am am iin n
HO
O
d es es os os am am iin n
HO HO
HO
O
kladinosa
O
O
kladinosa
O
O
O
eritromisin
senyawa 1 HO
HO
O
d es es os os am iin n
HO
O
O
d es es os os am am iin n
O HO
HO
HO
O O
kladinosa
O
kladinosa
O
O
O
senyawa 2
senyawa 3
Gambar V.8 Senyawa turunan 1, 2, dan 3 dari senyawa awal eritromisin
39
Atom C9 yang semula semula netral akan akan berubah menjadi bermuatan positif. Atom C tersebut dapat diserang diserang oleh pasangan elektron atom O pada gugus –OH. Ada beberapa gugus –OH yang cukup dekat untuk dapat menyerang C9 dengan jenis reaksi substitusi nukleofilik. nukleofilik.
Pada tahap tahap protonasi protonasi karbonil ini diusulkan tiga
senyawa turunan yaitu senyawa 1, senyawa 2 dan senyawa 3. Dari gambar V.8 terlihat bahwa ada tiga kemungkinan serangan nukleofilik internal karena senyawa eritromisin tersebut memiliki 3 buah gugus –OH yang jaraknya cukup dekat dengan C9. Ketiga gugus –OH masing-masing masing-masing terikat pada atom C6, C11, dan C12. Setiap –OH tersebut diinteraksikan diinteraksikan dengan karbonil pada C9 sehingga menghasilkan tiga senyawa turunan. H+
eritromisin
+
H
eritromisin
+
H
eritromisin
senyawa 1
(5.2)
senyawa 2
(5.3)
senyawa 3
(5.4)
Sesuai dengan perhitungan memakai data energi dari
log files,
persamaan yang
memiliki energi ikat total paling rendah merupakan tahapan reaksi yang dianggap paling benar dan paling mungkin terjadi. Seperti terlihat pada tabel V.1, energi total H + memiliki harga 0 kkal/mol. Oleh karena itu adanya proton (H +) dalam persamaan tidak ada berpengaruh pada perhitungan energi ikat total. E
Δ binding
= Esenyawa turunan – Eeritromisin
(5.5)
40
Dipergunakan rumus energi ikat total tersebut untuk menghitung masing-masing senyawa turunan yang diusulkan. Tabel V.2 Perhitungan Energi Ikat Total Senyawa 1, 2, dan 3 Energi Total Energi Total Energi Ikat Total (kkal/mol) (kkal/mol) (kkal/mol) eritromisin -356380,22 senyawa 1 -356485,46 -105,24 eritromisin -356380,22 senyawa 2 -356473,35 -93,12 eritromisin -356380,22 senyawa 3 -356458,45 -78,22 Dari tabel V.2 terlihat bahwa senyawa 1 memiliki energi ikat total paling negatif yaitu senyawa turunan yang paling mungkin terjadi. Jadi pada tahap pertama, pertama, jalur mekanisme mengarah pada senyawa 1. Pada tahap kedua diusulkan tiga senyawa turunan. Ketiga senyawa senyawa tersebut adalah senyawa 4, 5, dan 6. Masing-masing diturunkan dari senyawa senyawa 1, 2, dan 3. Pada tahap tahap ini terjadi terjadi pelepasan pelepasan molekul air dari senyawa sebelumnya. sebelumnya. Ikatan tunggal di sebelah gugus –OH yang terlepas akan berubah menjadi ikatan rangkap. Dengan demikian muncul bentuk anhidro dari senyawa senyawa 1, 2, maupun 3. Namun perlu diingat bahwa bentuk anhidro ini bukanlah senyawa
6,7
Δ
anhidroeritromisin,
melainkan senyawa turunan yang terjadi bila eritromisin berada di dalam lambung. Pada gambar V.9 disajikan bahwa senyawa sebelumnya masih memiliki 3 buah gugus –OH yang jaraknya cukup dekat dengan C9 sehingga dapat diusulkan tiga senyawa turunan yaitu senyawa 4, 5, dan 6.
41
H+, -H2O
senyawa 1
+
H , -H2O
senyawa 2
+
H , -H2O
senyawa 3
senyawa 4
(5.6)
senyawa 5
(5.7)
senyawa 6
(5.8)
HO
O HO
O
O
d es es os am am in in HO
O
d es os os am in in
HO HO
O
kladinosa O
O
kladinosa
O
O
senyawa 1
HO
O
senyawa 4 O
d es es os os am in in
O
O HO
d es es os os am in in
O
HO
HO HO O
kladinosa O
O
kladinosa
O
O
HO
senyawa 2
O
senyawa 5
HO
O
d es es os os am in in
HO
O
HO
HO
O O
d es es os os am in in
O
O
kladinosa
O
kladinosa
O
O
senyawa 3
O
senyawa 6
Gambar V.9 Senyawa turunan 4, 5, dan 6 dari senyawa 1, 2, dan 3 Tabel V.3 Perhitungan Energi Ikat Total Senyawa 4, 5, dan 6 Energi Total Energi Total Energi Total Energi Ikat Total (kkal/mol) (kkal/mol) (kkal/mol) (kkal/mol) seny senyaw awaa 1 -356 -35648 485, 5,46 46 seny senyaw awaa 4 -343 -34384 847, 7,97 97 H2O -124 -12482 82,0 ,033
155, 155,45 45
seny senyaw awaa 2 -356 -35647 473, 3,35 35 seny senyaw awaa 5 -343 -34380 805, 5,49 49 H2O -124 -12482 82,0 ,033
185, 185,82 82
seny senyaw awaa 3 -356 -35645 458, 8,45 45 seny senyaw awaa 6 -343 -34383 837, 7,02 02 H2O -124 -12482 82,0 ,033
139, 139,39 39
42
Dari Tabel V.3 terlihat bahwa senyawa 6 memiliki energi ikat total paling rendah,
akan tetapi senyawa 6 merupakan turunan dari senyawa 3.
Padahal
mekanisme yang benar pada tahap sebelumnya mengarah pada senyawa 1 dan bukan senyawa 3. Jadi pada tahap tahap kedua ini jalur jalur mekanisme mengarah pada senyawa senyawa 4 yang memiliki energi ikat total yang cukup rendah pula.
O HO
O HO
O
O
d es os os am in in
O
d es es os os am in in
HO O O
kladinosa
O
kladinosa
O O
senyawa 7
O
O
senyawa 4
O
d es os os am in in
O HO
O O
O
d es es os os am in in
O
d es es os os am in in
kladinosa
O
O
O HO
HO
HO
O
O
O
kladinosa
senyawa 8
kladinosa
O
O
O
O
senyawa 8
senyawa 5
O HO
O
d es es os os am in in
HO
O
d es es os os am in in
O
O HO
O
O
kladinosa
kladinosa
O
O
O
senyawa 6
O
senyawa 7
Gambar V.10 Senyawa turunan 7 dan 8 dari senyawa 4, 5, dan 6
Tahap ketiga dari mekanisme dekomposisi diusulkan dua senyawa turunan yaitu senyawa 7 dan dan senyawa 8. Kedua senyawa tersebut tersebut diturunkan dari senyawa 4,
43
5, dan 6. Seperti pada pada tahap pertama, pertama, pada tahap ketiga ini terjadi pembentukan jembatan oksigen. oksigen. Gugus –OH yang berada berada dekat dengan atom C paling miskin elektron memungkinkan terbentuknya terbentuknya jembatan jembatan tersebut. Atom C yang kekurangan elektron itu disebabkan oleh adanya induksi negatif dari jembatan oksigen yang sudah ada sebelumnya. Mengingat seluruh mekanisme dekomposisi berada dalam suasana asam dengan ketersediaan proton (H+) untuk setiap tahap mekanisme, maka tahap ini bisa dikatakan juga sebagai sebagai tahap protonasi. Dari tahap ini akan dirancang dirancang pelepasan molekul air lagi pada tahap mekanisme mekanisme berikutnya. berikutnya. Gambar V.10 secara secara rinci rinci memperlihatkan hubungan senyawa 7 dan 8 tersebut dengan tiga senyawa sebelumnya. Senyawa baru yang dirancang pada tahap ketiga ini hanya ada dua, karena pada senyawa 4, 5, dan 6 hanya memiliki 2 buah gugus –OH yang jaraknya cukup dekat dengan C9. senyawa 4 senyawa 4 senyawa 5 senyawa 6 Berdasarkan data energi dari
log files,
H+ +
H
+
H
+
H
senyawa 7
(5.9)
senyawa 8
(5.10)
senyawa 8
(5.11)
senyawa 7
(5.12)
perhitungan dilakukan. Persamaan yang
memiliki energi ikat total paling rendah merupakan tahapan reaksi yang dianggap paling mungkin terjadi.
44
Tabel V.4 Perhitungan Energi Ikat Total Senyawa 7 dan 8 Energi Total Energi Total Energi Ikat Total (kkal/mol) (kkal/mol) (kkal/mol) senyawa 4 -343847,97 senyawa 7 -344124,73 -276,75 senyawa 4 -343847,97 senyawa 8 -343970,66 -122,69 senyawa 5 -343805,49 senyawa 8 -343970,66 -165,17 senyawa 6 -343837,02 senyawa 7 -344124,73 -287,71
O
O HO
O
O
d es es os os am am iin n
O
d es eso sa sami n
OH
OCH3
O
+
H O
O
O
O
OH
OH
kladinosa
senyawa 10 (kladinosa) O
O
senyawa 9
senyawa 7
O
O O
O
d es es os os am am iin n
d es eso sa sami n
OH
O
O
+
HO
OCH3
H O
O
O
O
OH
OH
kladinosa
senyawa 10 (kladinosa) O
O
senyawa 8
senyawa 11
Gambar V.11 Senyawa turunan 9, 10 dan 11 dari senyawa 7 dan 8
Perhitungan pada tabel V.4 memberikan gambaran bahwa senyawa 7 memiliki energi ikat ikat total paling rendah. Ada dua harga energi ikat untuk senyawa senyawa 7,
45
yaitu yang berasal dari dari senyawa 4 dan senyawa 6. Jalur mekanisme mekanisme yang betul dari tahap sebelumnya adalah melalui melalui senyawa 4. Meskipun memiliki energi ikat total yang relatif lebih rendah, akan tetapi senyawa hasilnya tetap sama yaitu senyawa 7. Jadi pada tahap ketiga, jalur mekanisme mengarah pada senyawa 7. Tahap keempat merupakan tahap terakhir dari mekanisme dekomposisi eritromisin. Pada tahap tahap keempat ini diusulkan tiga senyawa senyawa yaitu yaitu senyawa 9, senyawa 10 dan senyawa 11.
Terjadi pelepasan molekul air air dari dari senyawa senyawa
sebelumnya. Ikatan tunggal yang berada berada dekat dengan gugus –OH yang lepas lepas akan berubah menjadi ikatan ikatan rangkap dua. Setelah gugus –OH tersebut tersebut lepas, maka maka tidak ada lagi gugus –OH yang tersisa untuk reaksi reaksi selanjutnya. Senyawa stabil inilah inilah yang akan menjadi senyawa terakhir pada mekanisme dekomposisi eritromisin. Berdasarkan Gambar V.11, reaksi dehidrasi merupakan tahap keempat dari mekanisme ini. Gambar ini juga menerangkan menerangkan bahwa ada ada dua kemungkinan senyawa turunan. Reaksi tahap keempat pada mekanisme dekomposisi ini dapat disajikan dengan persamaan reaksi berikut ini : senyawa 7 senyawa 8
H+, -H2O +
H , -H2O
senyawa 9 + senyawa 10
(5.13)
senyawa 11 + senyawa 10
(5.14)
Molekul air yang terlepas dari senyawa turunan pada tahap ini ternyata ditangkap kembali oleh gula kladinosa di akhir reaksi. reaksi. Terlihat pada Gambar V.11
46
spesies H2O sebelum dan sesudah reaksi tidak terjadi perubahan, maka spesies ini tidak mempengaruhi dalam perhitungan energi. Tabel V.5 Perhitungan Energi Ikat total Senyawa 9, 10, dan 11 Energi Total Energi Total Energi Total Energi Ikat Total (kkal/mol) (kkal/mol) (kkal/mol) (kkal/mol) seny. seny. 7 -344 -344124 124,7 ,733 seny seny.. 9 -2540 -254045 45,17 ,17 seny seny.. 10 -8995 -89959, 9,04 04 120,5 120,522 seny seny.. 8 -343 -34397 970, 0,66 66 seny seny.. 11 -253 -25383 839, 9,16 16 seny seny.. 10 -899 -89959 59,0 ,044 172, 172,47 47 Dengan melihat tabel V.5 dapat dijelaskan bahwa senyawa 9 lebih mungkin terjadi dari pada senyawa 11 karena energi ikat totalnya secara signifikan lebih rendah. Dengan demikian pada tahap keempat, jalur jalur mekanisme mengarah pada pembentukan senyawa 9. Melihat hasil perhitungan dan Gambar V.11, Senyawa 7 menghasilkan senyawa 9 dan senyawa 10. Ternyata langkah terakhir ini sama dengan akhir mekanisme dekomposisi dekomposisi yang dikemukakan oleh Sakakibara Sakakibara dan Omura. Senyawa 9 merupakan eritralosamin eritralosamin dan senyawa 10 adalah gula kladinosa. Eritralosamin Eritralosamin merupakan senyawa non aktif, yaitu senyawa yang tidak memiliki aktivitas obat. Dengan kata lain, eritralosamin sudah tidak manjur lagi sebagai antibiotik. Sedangkan gula kladinosa merupakan gula netral penyusun struktur senyawa obat eritromisin. Dari pembahasan tiap tahap mekanisme dekomposisi di atas, selanjutnya dapat dibuat jalur mekanisme yang benar. benar. Pada tahap pertama mekanisme mekanisme mengarah pada pembentukan senyawa 1. Kemudian tahap kedua mekanisme mekanisme mengarah pada
47
pembentukan senyawa 4. Selanjutnya pada tahap ketiga mekanisme mekanisme mengarah mengarah pada pembentukan senyawa senyawa 7. Pada tahap tahap keempat keempat atau atau tahap terakhir, mekanisme mengarah pada pembentukan senyawa 9. Senyawa eritromisin dan senyawa turunannya disusun berdasarkan urutan yang telah dianalisis sebelumnya.
Kemudian didapatkan mekanisme reaksi
dekomposisi dalam suasana asam yang benar. Mekanisme reaksi dekomposisi tersebut sama persis dengan mekanisme yang dikemukakan oleh Sakakibara Sakakibara dan Omura. Terbentuk beberapa senyawa senyawa turunan dan pada akhir mekanisme didapatkan senyawa eritralosamin.
Mekanisme reaksi
dekomposisi senyawa eritromisin secara jelas disajikan pada Gambar V.12. O
HO
O HO
O
d es es os os am am in in
O
HO
O
H+
HO HO
H+ - H2O
HO
O
kladinosa
O
O
HO
d es os os am am in in
O
kladinosa
O
6,9-ketal-8,9-anhidroeritromisin
6,9-hemiketaleritromisin
O
O
HO
O
H+
kladinosa
O
O
eritromisin
d es os os am am in in
O
H+ - H2O
O
O O
de so so sa sa m mii n
O
+
kladinosa
kladinosa
OH O
O
6,9;9,12-spiroketal
d es es os os am am in in
HO
O
O
O
O
eritralosamin
Gambar V.12 Mekanisme dekomposisi eritromisin dalam suasana asam hasil perhitungan kimia komputasi
48
V.6 Mekanisme Dekomposisi
Senyawa
6,7
Δ
6,7
Anhidroeritromisin
anhidroeritromisin merupakan antibiotik turunan dari
eritromisin. Kelemahan yang ada pada senyawa eritromisin eritromisin dapat dikurangi pada senyawa baru ini.
Konversi diarahkan pada
6,7
Δ
anhidroeritromisin karena
merupakan senyawa yang cukup baik digunakan digun akan dan lebih tahan terhadap asam. Tabel V.6 Data energi dari perhitungan semiempiris CNDO beberapa senyawa turunan Δ6,7 anhidroeritromisin Ener En ergi gi Ika Ikatt En Ener ergi gi Tot Total al Nama Senyawa (kkal/mol) (kkal/mol) 6,7 anhidroeritromisin -31451,28 -343754,59 Δ senyawa 10 (kladinosa) -7210,20 -89959,04 senya nyawa A -313 -31334 34,2 ,200 -343 -34363 637, 7,51 51 senya nyawa B -315 -31523 23,5 ,500 -343 -34382 826, 6,81 81 senya nyawa C -311 -31145 45,2 ,277 -331 -33130 300, 0,23 23 senya nyawa D -310 -31059 59,4 ,477 -331 -33121 214, 4,43 43 senya enyawa wa E -311 -31117 17,4 ,466 -330 -33047 470, 0,80 80 senya nyawa F -310 -31098 98,3 ,366 -331 -33125 253, 3,32 32 senya nyawa G -305 -30570 70,3 ,355 -318 -31857 576, 6,96 96 senya nyawa H -306 -30610 10,8 ,888 -318 -31861 617, 7,49 49 senya enyawa wa I -306 -30654 54,4 ,477 -318 -31866 661, 1,08 08 senya enyawa wa J -238 -23816 16,8 ,822 -241 -24122 222, 2,94 94 senya nyawa K -238 -23855 55,5 ,566 -241 -24126 261, 1,67 67 senya enyawa wa L -236 -23670 70,0 ,022 -241 -24107 076, 6,14 14 H2O -333,69 -12482,03 H+ 4 0 0 ,8 1 0 ,0 0 Di dalam lambung, senyawa
6,7
Δ
anhidroeritromisin tidak mudah
terdekomposisi. Senyawa ini begitu tahan tahan terhadap asam dikarenakan tidak memiliki memiliki gugus –OH yang menginisiasi reaksi reaksi dekomposisi (seperti (seperti pada eritromisin). eritromisin). Dalam
49
penelitian ini didesain didesain mekanisme reaksi reaksi dekomposisinya. Reaksi dekomposisi dapat dirancang dengan membuat variasi senyawa-senyawa turunannya kemudian dihitung energi ikatannya untuk menentukan jalur mekanisme yang benar. Agar didapat data energi, dilakukan optimasi geometri terhadap semua 6,7
senyawa turunan
anhidroeritromisin. Setiap tahap dari mekanisme dianalisis
Δ
berdasarkan perhitungan energi.
Seperti halnya eritromisin, perhitungan juga
dilakukan dengan menggunakan rumusan energi ikat total ( ΔEbinding).
Dengan
mencari senyawa turunan yang energi ikat totalnya paling rendah, reaksi dekomposisi dapat disusun. Senyawa-senyawa turunan Δ6,7 anhidroeritromisin diberi nama “senyawa” dan diurutkan dengan huruf untuk mempermudah mempermudah pembahasan. Data energi tiap tiap senyawa hasil optimasi geometri terlihat pada tabel V.6. −
δ O
9 10
HO
HO
HO
+
δ
11 12
8
7
9
+
H
6
10
HO
5 HO
11 12
8
7 6 5
Gambar V.13 Protonasi pada C9 senyawa Δ6,7 anhidroeritromisin Reaksi dekomposisi dimulai dengan proses protonasi yang terjadi terhadap gugus karbonil senyawa Δ6,7 anhidroeritromisin pada posisi posisi C9. Adanya sumbangan sumbangan proton (H+) dari lingkungan yang diserang oleh atom O terpolar mengubah ikatan karbonil C=O menjadi gugus alkohol C-OH.
50
Perubahan terjadi pada atom C9 yang semula netral menjadi bermuatan positif. Pasangan elektron elektron yang dimiliki atom atom O pada suatu gugus –OH dapat dapat menyerang atom C9 tersebut dengan serangan nukleofilik.
Gambar V.13
memperlihatkan posisi karbonil yang mengalami protonasi. Perbedaan dengan senyawa aslinya,
6,7
Δ
anhidroeritromisin tidak memiliki
gugus –OH pada posisi C6. Akan tetapi dia masih memiliki memiliki dua gugus –OH pada posisi C11 dan C12. Dua gugus inilah yang akan berperan berperan penting dalam reaksi reaksi dekomposisi. O
HO
HO
O
O
d es os os am am in in
d es es os os am am in in
O HO
HO
O
kladinosa
O
kladinosa
O
O
O
O
6,7 anhidroeritromisin
senyawa A
Δ
HO
HO
O
d es os os am am in in
O
O
kladinosa
O
O
senyawa B 6,7
Gambar V.14 Senyawa turunan A dan B dari senyawa Δ anhidroeritromisin
Seperti terlihat pada tabel V.2 pada pembahasan tentang eritromisin, posisi gugus –OH pada C6 memberikan energi ikat total paling rendah bila dibandingkan dengan dua posisi lainnya. Posisi C11 memberikan memberikan energi lebih tinggi dan posisi C12 energinya paling paling tinggi. Dengan hilangnya gugus –OH pada pada posisi C6 tentu saja saja
51
sangat mempengaruhi mempengaruhi reaksi dekomposisi dekomposisi secara secara keseluruhan. keseluruhan. Hal ini dikarenakan dikarenakan reaksi memerlukan energi yang lebih tinggi untuk bisa terjadi. Pada tahap pertama reaksi dekomposisi Δ6,7 anhidroeritromisin, diusulkan dua senyawa turunan yaitu senyawa A dan senyawa senyawa B. Penyerangan oleh oleh gugus –OH pada C11 menghasilkan senyawa A, sedangkan pada C12 akan menghasilkan senyawa B. Gambar V.14 menerangkan bahwa tahap pertama mekanisme dekomposisi senyawa Δ6,7 anhidroeritromisin anhidroeritromisin dimulai dengan protonasi. 6,7
Δ
6,7
Δ
H+ anhidroeritromisin anhidroeritromisin anhidroeritromisin
+
H
senyawa A
(5.15)
senyawa B
(5.16)
Perhitungan dilakukan berdasarkan data energi dari log files. Setiap senyawa turunan dihitung perubahan energi energi ikat totalnya. totalnya. Persamaan Persamaan yang memiliki energi ikat total total paling rendah merupakan tahapan reaksi yang dianggap paling benar dan paling mungkin terjadi. membuktikan
6,7
Δ
Perlu diingat bahwa hasil penelitian skala laboratorium anhidroeritromisin ini tidak dapat terdekomposisi. Penelitian
dengan metode kimia komputasi ini akan memberikan penjelasan lebih rinci tentang fenomena tersebut. Tabel V.7 Perhitungan Energi Ikat total Senyawa A dan B Energi Total Energi Total Energi Ikat Total (kkal/mol) (kkal/mol) (kkal/mol) anhidroeritromisin -343754,59 senyawa A -343637,51 1 1 7 ,0 8 anhidroeritromisin -343754,59 senyawa B -343826,81 - 7 2,2 2
52
Perhitungan pada tabel V.7 memberikan gambaran bahwa senyawa B memiliki energi ikat total lebih lebih rendah. Jadi pada tahap tahap pertama, jalur mekanisme mengarah pada senyawa B. Tahap kedua dari mekanisme dekomposisi diusulkan dua senyawa turunan yaitu senyawa senyawa C dan senyawa D.
Gambar V.15 secara rinci memperlihatkan memperlihatkan
hubungan kedua senyawa tersebut dengan senyawa sebelumnya. HO
O
d es es os am in in
O
O
d es es os am in in
O
HO
HO
O
kladinosa
O
O
kladinosa
O
O
O
senyawa A
senyawa C
HO
HO
O
d es os os am in in
HO
O
O
O O
d es es os os am in in
O
kladinosa
O
kladinosa
O
O
senyawa B
O
senyawa D
Gambar V.15 Senyawa turunan C dan D dari senyawa A dan B
Pada tahap kedua mekanisme dekomposisi yang terjadi adalah lepasnya gugus H2O. Senyawa baru yang dirancang dirancang pada tahap kedua ini hanya ada dua, karena karena pada tahap pertama cuma cuma ada dua senyawa turunan. Meskipun satu jalur senyawa senyawa turunan
53
sudah dianggap tidak mungkin terjadi karena energinya yang terlalu besar, akan tetapi tetap dihitung untuk mempelajari fenomena yang akan terjadi. senyawa A senyawa B
H+, -H2O +
H , -H2O
senyawa C
(5.17)
senyawa D
(5.18)
Perhitungan energi ikat total dilakukan dengan mempergunakan data dalam
log files
hasil percobaan percobaan komputasi. Perhitungan energi energi ikat total total tersebut disajikan dalam dalam tabel V.8. Tabel V.8 Perhitungan Energi Ikat Total Senyawa C dan D Energi Total Energi Total Energi Total Energi Ikat Total (kkal/mol) (kkal/mol) (kkal/mol) (kkal/mol) seny senyaw awaa A -343 -34363 637, 7,51 51 seny senyaw awaa C -331 -33130 300, 0,23 23 H2O -124 -12482 82,0 ,033
-144 -144,7 ,755
seny senyaw awaa B -343 -34382 826, 6,81 81 seny senyaw awaa D -331 -33121 214, 4,43 43 H2O -124 -12482 82,0 ,033
130, 130,34 34
Perhitungan pada tabel V.8 menunjukkan bahwa senyawa C memiliki energi ikat total total paling rendah. Akan tetapi pada tahap sebelumnya jalur mekanisme mekanisme mengarah pada senyawa B bukan senyawa A. Hal ini dapat dijelaskan dijelaskan bahwa secara teori senyawa A tidak mungkin ada. Kalaupun senyawa A dapat terjadi, terjadi, hasilnya hasilnya pasti sangat kecil kecil dan sangat sulit terjadi. terjadi. Jadi pada tahap tahap kedua, jalur mekanisme mekanisme mengarah pada senyawa D meskipun energinya lebih besar. Reaksi selanjutnya selanjutnya tidak tidak akan disinggung senyawa C lagi. Secara teori, senyawa C tidak dapat terjadi. Tinjauan akan dikhususkan ke senyawa D dan turunan-turunannya. Kemudian dari senyawa D tersebut diturunkan lagi menjadi beberapa senyawa yang mungkin dapat terjadi.
54
Tahap ketiga dari mekanisme dekomposisi ini diusulkan tiga senyawa turunan yaitu senyawa F, senyawa H dan senyawa K. O HO
O
d es es os os am am in in
O
d es es os os am am in in
O
O
O
kladinosa
O
O
kladinosa
O
O
O
senyawa D
senyawa F
O O
d es es os os am am iin n
OH
O
+
d es es os os am am in in
O OCH3
H O
OH
O
OH
kladinosa
O
O
senyawa 10 (kladinosa) O O
senyawa H
senyawa K
Gambar V.16 Senyawa turunan F, H dan K dari senyawa D Ketiga senyawa turunan berasal dari senyawa D. Khusus untuk senyawa K, kladinosa telah lepas dari dari cincin makrolakton senyawa senyawa obat. Lebih jelas terlihat terlihat pada gambar V.16. Pada tahap ketiga mekanisme dekomposisi
6,7
Δ
anhidroeritromisin terjadi
protonasi sama seperti pada tahap pertama. H+
senyawa D senyawa D senyawa D
+
H +
H , -H2O
senyawa F
(5.19)
senyawa H
(5.20)
senyawa K + senyawa 10
(5.21)
Terdapat tiga persamaan persamaan reaksi yang harus dihitung energi ikat totalnya. Perhitungan dilakukan dan didapatkan data data energi ikat totalnya pada tabel tabel V.9. Persamaan Persamaan yang
55
memiliki energi ikat total paling rendah merupakan tahapan reaksi yang dianggap paling benar dan paling mungkin terjadi. Tabel V.9 Perhitungan Energi Ikat Total Senyawa F, H, dan K Energi Total Energi Total Energi Total Energi Ikat Total (kkal/mol) (kkal/mol) (kkal/mol) (kkal/mol) seny. eny. D -331 -33121 214, 4,43 43 seny. eny. F -331 -33125 253, 3,32 32 -38,8 38,899 seny. D -331214,43 seny. H -318617,49 1 2 5 9 6, 9 4 seny. eny. D -331 -33121 214, 4,43 43 seny seny.. K -241 -24126 261, 1,67 67 seny. eny. 10 -899 -89959 59,0 ,044 -6,29 6,29 Perhitungan pada tabel V.9 memberikan gambaran bahwa senyawa F memiliki energi ikat total paling rendah, bahkan lebih rendah dari senyawa K yang telah lepas kladinosanya. Jadi pada tahap tahap ketiga, jalur mekanisme mengarah mengarah pada senyawa F. Senyawa terakhir ini berupa senyawa senyawa spiroketal yang cukup stabil dalam dalam suasana asam asam di dalam lambung. Senyawa ini sudah tidak memiliki nukleofil lagi yang memungkinkan terjadinya reaksi lebih lanjut. Dengan demikian sudah lengkap jalur mekanisme reaksi dekomposisi senyawa
6,7
Δ
anhidroeritromisin. Pada tahap tahap pertama pertama mekanisme mekanisme mengarah mengarah pada
senyawa B. Selanjutnya pada tahap kedua didapatkan senyawa D sebagai jalur jalur mekanisme meskipun harga energi ikat totalnya totalnya cukup besar. besar. Kemudian pada tahap tahap terakhir, jalur mekanisme diarahkan pada senyawa F. Terdapat perbedaan mekanisme dekomposisi senyawa Δ6,7 anhidroeritromisin dengan eritromisin. Pada senyawa
6,7
Δ
anhidroeritromisin ini tidak diakhiri dengan
pelepasan gula netral kladinosa pada akhir mekanismenya.
56
Dengan melihat tahap-tahap sebelumnya, disusun mekanisme dekomposisi senyawa Δ6,7 anhidroeritromisin seperti terlihat pada Gambar V.17. HO
O
HO
O
d es es os os am am iin n
HO
O
H+
d es es os os am am in in
HO
O
HO
O
kladinosa
O
O
6,7 anhidroeritromisin
kladinosa
O
O
O
9,12 9,12-h -hem emik iket etal al-6 -6,7 ,7-a -anh nhid idro roeri eritr trom omis isin in
Δ
d es es os os am am in in
O
kladinosa
O
O
O
H+ - H2O
O
9,12 9,12-k -ket etal al-6 -6,7 ,7;8 ;8,9 ,9-a -anh nhid idro roer erit itro romi misi sinn
O O
H+
d es es os os am am in in
O
O
kladinosa
O
O
9,11;9,12-spiroketal
Gambar V.17 Mekanisme dekomposisi Δ6,7 anhidroeritromisin dalam suasana asam hasil perhitungan kimia komputasi Mekanisme reaksi dekomposisi senyawa Δ6,7 anhidroeritromisin tersebut sulit terjadi pada suasana suasana asam. Hal ini dibuktikan pada tahap kedua mekanisme mekanisme tersebut tersebut menghasilkan energi yang cukup besar yaitu 130,34 kkal/mol. Jadi bisa disimpulkan bahwa senyawa
6,7
Δ
anhidroeritromisin lebih tahan asam dibandingkan senyawa
eritromisin. Diharapkan produk antibiotik ini bisa lebih manjur untuk dikonsumsi per oral dari pada eritromisin.
BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN
VI.1 Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Kajian teoritis tentang reaksi dekomposisi senyawa obat eritromisin dan 6,7
Δ
anhidroeritromisin dapat dilakukan dengan metode semiempiris CNDO.
2. Berdasarkan mekanismenya, reaksi dekomposisi eritromisin dapat terjadi dalam suasana asam, sedangkan dekomposisi
6,7
Δ
anhidroeritromisin sangat
sulit terjadi dalam suasana asam.
VI.2 Saran
Perlu dipelajari kembali reaksi dekomposisi ini dengan memakai metode yang lebih tinggi tingkatannya dari pada metode semiempiris. Perlu dilakukan penelitian lebih lanjut tentang mekanisme aksi obat, seperti docking antibiotik terhadap bakteri penyebab penyakit.
57
58
DAFTAR PUSTAKA
Abdelghaffar, H., Vazifeh, D., Labro, M.T., 1997, Erythromycin A-Derived Macrolides Modify the Functional Activities of Human Neutrophils by Altering the Phospholipase D-Phosphotidate phosphohydrolase Transduction Pathway : L-Cladinose is Involved Both in Alterations of Neutrophil Functions and Modulation of this Transductional Pathway, J. Immunol., 15; 159(8): 3995-4005 Corcoran, J.W., 1981, Biochemical Mechanism in Biosynthesis of Erythromycins, in J.W. Corcoran (ed) : Antibiotics (Volume IV) : Biosynthesis, Springer Verlag, Berlin Corcoran, J.W., 1984, Mode of action and Resistence Mechanism of Macrolide in Satoshi Omura (ed) : Macrolide Antibiotics : Chemistry, Biology and Practise, Academic Press, Orlando Donadio, S., J.S. Michael, B.M. James, J.S. Susan, and K. Leonard, 1991, Modular Organization of Genes Required for Complex Polyketide Biosynthesis , Research Articles, 3 May 1991 : 675-679 Donadio, S., J.B. McAplpine, P.J. Sheldon, M. Jackson, and L. Katz, 1993, An Erythromycin Analog Produced by Reprogrammimg of Polyketide Synthesis , Pro. Natl. Acad. Sci. USA, Vol.90, 7119-7123. 7119-7123. Douthwaite, S., Champney, W.S., 2001, Structure-Activity Relationships of Ketolides vs. Macrolides, Clin. Microbiol. Infect., 7 Suppl., 3:11-7, Review Fass, R.J., 1993, Erythromycin, Clarithromycin and Azithromycin: Use of Frequency Distribution Curves, Scattergrams and Regression Analyses to Compare in vitro Acvtivities and Describe Cross-Resistence , Antimicrob. Agents Chemother., 37, 10, 2080-2086. Fessenden, 1997a, Kimia Organik , Edisi Ketiga, Jilid 1, Penerbit Erlangga, Jakarta Fessenden, 1997b, Kimia Organik , Edisi Ketiga, Jilid 2, Penerbit Erlangga, Jakarta 6,7
Jenie, U.A., R.S. Sudibyo, and W. Haryadi, 1999, Structural Elucidation of Δ 1 Anhydroerythromycin D Using H-NMR-Spectrometer , Indonesian Journal of Biotechnology, December, 317-320. Jenie, U.A., R.S. Sudibyo, and R. Wulandari, 1998a, Structure Elucidation of Three Hybrid Antibiotics of New Erythromycin Derivatives: MFE, MME, and MMFE , Majalah Farmasi Indonesia, Vol. 9, No.3, 103-109.
59
Jenie, U.A., R.S. Sudibyo, and A. Yanuar, 1998b, Development of New Erythromycin Derivatives using Hybrid Biosynthetic Technique , Majalah Farmasi Indonesia, Vol. 9, No.2, 50-67. Jensen, F., 1999, Introduction to Computational Chemistry, John Wiley and Sons Inc., New york Kadarwati, U., N. Sukasdiati, R. Gitawati, dan R.Uci, 1989, Pola Resistensi Kuma Kokus terhadap Enam Jenis Antibiotik di Wilayah Jakarta Timur, Cermin Dunia Kedokteran, Ed. No. 56, 45-48. Kader, A.A., Kumar, A., Krishna A., 2005, Induction of Clindamycin Resistance in Erythromycin-Resistant, Clindamycin Susceptible and Methicillin-Resistant Clinical Staphylococcal Isolates , J. Saudi Med., 26(12), 1914-7 Leach, A.R., 1996, Molecular Modelling : Principles And Applications, Addison Wesley Longman Limited, London Montenez, J.P., Van Bambeke, J., Piret, J., Brasseur, R., Tulkens, P.M., MingeotLeclercq, M.P., 1999, Interactions of Macrolide Antibiotics (Erythromycin A, Roxithromycin, Erythromycylamine [Dirithromycin], and Azitrhomycin) with Phospholipid: Computer-Aided Conformational Analysis and Studies on Acellular and Cell Culture Models, Toxicol Appl. Pharmacol., 15; 156(2): 129-40 Mun’im, A., 1997, Sintesis Turunan baru O-Metileritromisin A dan O Metileritromisin A Oksim. Investigasi Reaksi Regioselektif, Elusidasi Sdtruktur, dan Uji Potensi produk Sintesisnya . Tesis S-2 Ilmu Farmasi, UGM, 55-94. Nakayama I., 1984, Macrolide in Clinical Practice in S. Omura (Ed) : Macrolide Antibiotic : Chemistry, Biology and Practice, Academic Press, Orlando Omura S., N. Sadanake, Y. Tanaka, and H. Matsubara, 1983, Chimeramycins: New Macrolide Antibiotics Produced by Hybrid Biosynthesis, J. Antibiot.,36(7), 927-930 Omura S. and Y. Tanaka, 1984, Biochemistry, Regulation and Genetics of Macrolide Production in Mura S (ed) : Macrolide Antibiotics : Chemistry, Biology and Practise, Academic Press, Orlando Randolph, J.T., Waid, P., Nichols, C., Sauer, D., Haviv, F., Diaz, G., Bammert, G., Besecke, L.M., Segreti, J.A., Mohning, K.M., Bush, E.N., Wegner, C.D., Greer, J., 2004, Nonpeptide Luteinizing Hormone-Releasing Hormone Antagonists Derived from Erythromycin A : Design, Synthesis, and Biological Activity of Cladinose Replacement Analogues, J. Med. Chem., 26; 47(5) : 1085-97
60
Rosato, A., Vicarini, H., Bonnefoy, A., Chantot, J.F., Leclercq, R., 1998, A New Ketolide, HMR 3004, Active Against Streptococci Inducibly Resistant to Erythromycin, Antimicrob. Agents Chemother., Vol 42, No. 6, 1392-1396 Sakakibara H. and S. Omura, 1984, Chemical Modification and Structure-Activity Relationship of Macrolides in Satoshi Omura (Ed) : Macrolide Antibiotics : Chemistry, Biology and Practise , Academic Press, Orlando Sudibyo, R.S., 1998, Isolation and Structural Elucidation of 5-Deazaflavin Coenzyme from Saccharopolyspora erythaea; and Its Probable Involvement in the Erythromycin Biosynthesis, Doctoral Dissertation, UGM, 29-30 . Sudibyo, R.S., and U.A. Jenie, 1997, Biomimetic Experiment of Enoyl-reduction Process by F420-dependent Enzyme Obtained from Saccharopolyspora erythraea and the Biosynthetic Implication , Indonesian Journal of Biotechnology, 133-139 6,7
Sudibyo R.S., U.A. Jenie, and W. Haryadi, 1999a, Biosynthesis of Δ -Anhydro Erythromycin via Enoyl Reductase Inhibition by Isonicotinic Hydrazide (INH), Indonesian Journal of Biotechnology, 311-316. Sudibyo R.S., U.A. Jenie, and W. Haryadi, 1999b, Analysis of Acid Resistance of 6,7 Δ -Anhydroerythromycin-D Using FT-IR Spectrometric Approach and Microbial Test , Indonesian Journal of Biotechnology, 321-325. Sudibyo, R.S.; U.A. Jenie; and A. Mun’im, 1999c, Methylation of 9-Deoxo-9-Oxime Erythromycin A Using Ethereal Solution of Diazomethane, Berkala Ilmiah MIPA, No.2, Th. IX, 32-40. Watanabe, Y., T. Adachi, T. Asaka, M. Kashimura, and S. Marimoto, 1990, “Chemical Modification of Erythromycins, VIII, A New Effective Route to Clarithromycin (6-O-methylerythromycin A)” , Heterocycles, 1, 12, 21212124. Watanabe, Y., M. Kashimura, T. Asaka, T. Adachi, and S. Marimoto, 1993a, Chemical Modification of Erythromycins, XI, Synthesis of Clarithromycin (6O-methylerythromycin A) via Erythromycin A Quarternary Ammonium Salt Derivate, Heterocycles, 36, 2, 243-247. Watanabe, Y., T. Adachi, T. Asaka, M. Kashimura, T. Matsunaga and S. Marimoto, 1993b, Chemical Modification of Erythromycins, XII, A Facile Synthesis of Clarithromycin (6-O-methylerythromycin A) via 2’-silylethers of Erythromycin A Derivate, J. Antibiot., 46, 7, 1163-1167.
61
Lampiran 1. Data perhitungan energi dengan metode semiempiris CNDO beberapa senyawa
Nama Senyawa
Binding Energy
(kkal/mol)
Total Energy
(kkal/mol)
Total Energy
Struktur
(a.u.) O
HO
eritromisin
-31928,57308
-356380,2244
-567,9166987
O
d es es os os am am iin n
HO HO
O
kladinosa
O
O
O
HO
6,7
Δ
anhidroeritromisin
-31451,28448
-343754,5892
-547,7968699
O
d es es os os am am iin n
HO
O
kladinosa
O
O
HO
O HO
Senyawa 1
-32033,81285
-356485,4642
-568,0844056
O
d es es os os am am in in
HO
O
kladinosa
O
O
HO
O
d es es os os am am iin n
O
Senyawa 2
-32021,69725
-356473,3486
-568,0650985
HO HO
O
kladinosa
O
O
HO
HO
O
d es os os am am in in
O
Senyawa 3
-32006,79451
-356458,4458
HO
-568,04135
O O
O
kladinosa
62
O HO
Senyawa 4
-31544,66998
-343847,9747
-547,9456862
O
d es es os os am am iin n
HO
O
kladinosa
O
O
O
d es es os os am am iin n
O
Senyawa 5
-31502,18809
-343805,4928
-547,8779884
HO HO
O
kladinosa
O
O
HO
Senyawa 6
-31533,71526
-343837,02
O
d es es os os am am in in
O HO
-547,9282291
O
kladinosa
O
O
O HO
Senyawa 7
-31821,42478
-344124,7295
O
d es es os os am am in in
O
-548,3867143
O
kladinosa
O
O
O O
d es es os os am am iin n
O
Senyawa 8
-31667,36028
-343970,665
-548,1412018
HO
O
kladinosa
O
O
O O O
Senyawa 9
-24490,71156
-254045,1709
-404,8386663 OH O
O
d es es os os am in
63
OH
Senyawa 10 (kladinosa)
-7210,198028
-89959,04344
-143,3559986
OCH3
H O
OH
O O
d es es os os am am in in
O
Senyawa 11
-24284,69646
-253839,1558
-404,5103669 OH O
O
O HO
Senyawa 4 karbokation
-31575,60514
-344279,7185
-548,6337002
O
d es es os am in in
HO
O
kladinosa
O
O
O
d es es os os am in in
O
Senyawa 5 karbokation
-31548,64304
-344252,7565
-548,5907342
HO HO
O
kladinosa
O
O
HO
Senyawa 6 karbokation
-31557,56051
-344261,6739
O
d es es os os am am in in
O HO
-548,6049448
O
kladinosa
O
O
O O
Senyawa 9 karbokation
-31220,73001
-331776,4968
O
-528,7089458
OH O
O
d es es os os am am in in
64
O O
d es es os os am am in in
O
Senyawa 11 karbokation
-31324,3512
-331880,118
-528,8740734 OH O
O
HO
O
d es es os am in in
O
Senyawa A
-31334,2043
-343637,509
-547,6102945
HO
O
kladinosa
O
O
HO
HO
O
d es es os os am am in in
O
Senyawa B
-31523,50233
-343826,807
-547,9119541 O
kladinosa
O
O
O
d es es os am in in
O
Senyawa C
-31145,27008
-331300,2282
-527,9499786
HO
O
kladinosa
O
O
HO
O
d es es os os am am in in
O
Senyawa D
-31059,4708
-331214,4289
-527,8132515 O
kladinosa
O
O
O
d es es os am iin n
O
Senyawa E
-31117,46001
-330470,8007
-526,6282281
O
O O
O
kladinosa
65
O O
d es es os os am am in in
O
Senyawa F
-31098,35931
-331253,3174
-527,875223 O
kladinosa
O
O
O
d es es os os am am in in
O
Senyawa G
-30570,3525
-318576,964
-507,6745713 O
kladinosa
O
O
O
d es es os os am am in in
O
Senyawa H
-30610,87877
-318617,4902
-507,7391527 O
kladinosa
O
O
O
d es es os os am am in in
O
Senyawa I
-30654,46756
-318661,079
-507,8086145 O
kladinosa
O
O
O
d es es os os am am in in
O
d es es os os am am in in
O
Senyawa J
-23816,82259
-241222,9353
-384,4055412 OH O
O
O
Senyawa K
-23855,55988
-241261,6725
-384,4672718 OH O
O
66
O
d es es os os am am in in
O
Senyawa L
-23670,02423
-241076,1369
-384,1716078 OH O
O
O
O
Senyawa M
-31058,67638
-331213,6345
-527,8119855
d es es os am in in
HO
O
kladinosa
O
O
HO
O
d es es os os am am in in
O
Senyawa N
-30850,35054
-331005,3086
-527,4800038 O
kladinosa
O
O
HO
O
d es es os os am am in in
O
Senyawa O
-30870,17123
-331025,1293
-527,5115894 O
kladinosa
O
O
HO
Senyawa P
-31031,52901
-331186,4871
O
O
d es es os os am am in in
-527,7687243 O
kladinosa
O
O
HO
O
d es es os os am am in in
O
Senyawa Q
-31032,36417
-331187,3222
-527,7700552 O O
O
kladinosa
67
O
O
O
Senyawa R
-31140,2182356
-331295,1763120
d es es os os am am in in
-527,941928128 O
kladinosa
O
O
O
Senyawa S
-31216,6378685
-331371,5959450
O
O
d es es os os am am in in
-528,063708133 O
kladinosa
O
O
O
O
Senyawa T
-30917,7508063
-330271,0914576
-526,309977616
d es es os os am am in in
O
O
kladinosa
O
O
O
O
d es os os am am in in
O
Senyawa U
-30874,6159981
-330227,9566494
-526,241239296 O
kladinosa
O
O
O
O
d es es os os am am in in
O
Senyawa V
-31105,5636715
-331260,5217480
-527,886703667 O
kladinosa
O
O
O
O
d es es os am am in
O
Senyawa W
-31248,2876397
-331403,2457162
-528,114144247 O O
O
kladinosa
68
O
O
d es es os os am am in in
O
Senyawa X
-31097,8448450
-331252,8029215
-527,874403180 O
kladinosa
O
O
O O
d es es os os am am in in
O
Senyawa Y
-31206,1787095
-331361,1367860
-528,047040735 O
kladinosa
O
O
O O
d es es os os am am in in
O
Senyawa Z
-31023,0831341
-330376,4237855
-526,477832013 O
kladinosa
O
O
O O
d es os os am am in in
O
Senyawa Z01
-31036,9894876
-330390,3301389
-526,499992756 O
kladinosa
O
O
O
O
d es os os am am in in
O
Senyawa Z02
-31281,6006801
-331436,5587566
-528,167230896 O
kladinosa
O
O
O O
d es es os os am am in in
O
Senyawa Z03
-31346,9465419
-331501,9046183
-528,271364076 O O
O
kladinosa
69
O O
O
Senyawa Z04
-31146,4728788
-331301,4309553
d es es os os am am iin n
-527,951895337 O
kladinosa
O
O
O O
O
Senyawa Z05
-31249,3982050
-331404,3562815
d es es os os am am in
-528,115914010 O
kladinosa
O
O
O
O
d es es os os am am in in
O
Senyawa Z06
-31161,3246244
-331316,2827009
-527,975562628 O
kladinosa
O
O
O O
d es es os os am am in in
O
Senyawa Z07
-31187,4864542
-331342,4445307
-528,017253325 O
kladinosa
O
O
O
O
d es os os am am in in
O
Senyawa Z08
-31157,1805598
-331312,1386363
-527,968958772 O
kladinosa
O
O
O O
d es es os os am am in in
O
Senyawa Z09
-31288,6238062
-331443,5818827
-528,178422737 O O
O
kladinosa
70
H2O
-333,6880273
-12482,03465
-19,89099121
O H
H+
400,8087126
0
0
H
H
H
H3O
+
-185,3881636
-12734,5434985
-20,29338164
O H
H
71
Lampiran 2, Kiralitas senyawa obat eritromisin eritromisin Struktur eritromisin
aglikon desosamin R
O
H3C
R
HO
R
HO
R HO
CH3 N
S
R
O
O
S
R
HO
S
R
S H3CO
S
R
R
O
R
O
OH
R S
S
O H O
kladinosa
Struktur
6,7
anhidroeritromisin
aglikon desosamin R
O
H3C HO
R
N
(Z)
HO
S
R
HO
O
O
R
R
S
S
S R H3CO
S
R
R
O
R
O
OH
R O
S
H O
CH3
kladinosa
S
72
Lampiran 3, Usulan jalur mekanisme mekanisme reaksi dekomposisi eritromisin
eritromisin
senyawa 1
senyawa 2
senyawa 3
senyawa 4
senyawa 5
senyawa 6
senyawa 7
senyawa 9 + senyawa 10
senyawa 8
senyawa 11 + senyawa 10
73
Lampiran 4, Usulan jalur mekanisme reaksi dekomposisi
6,7
Δ
6,7
Δ
anhidroeritromisin
anhidroeritromisin
senyawa A
senyawa B
senyawa C
senyawa D
senyawa E
senyawa G
senyawa J + senyawa 10
senyawa F
senyawa H
senyawa I
senyawa L+ senyawa 10
senyawa K + senyawa 10
74
6,7
Δ
anhidroeritromisin
senyawa A
senyawa M
senyawa B
senyawa N
senyawa O
senyawa P
senyawa R
senyawa U
senyawa S
senyawa V
senyawa Z
senyawa Z06
senyawa W
senyawa Q
senyawa T
senyawa X
senyawa Z01
senyawa Z02
senyawa Z04
senyawa Z05
senyawa Z07
senyawa Z08
senyawa Y
senyawa Z03
senyawa Z09
