Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas

Transkripsi

1 Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas Oleh: Siswandono Laboratorium Kimia Medisinal

2 Crum, Brown dan Fraser (1869) aktivitas biologis alkaloida alam, seperti striknin, brusin, tebain, kodein, morfin dan nikotin akan menurun atau hilang bila direaksikan dengan metil iodida efek biologis suatu senyawa (φ) merupakan fungsi dari struktur kimianya (C). Overton (1897) dan Meyer (1899) efek narkosis senyawa- senyawa yang mempunyai struktur kimia bervariasi berhubungan dengan nilai koefisien partisi lemak/air /air. Ferguson (1939) aktivitas bakterisid turunan fenol mem- punyai hubungan linier dengan kelarutan dalam air. Corwin Hansch dkk (1963) menghubungkan struktur kimia dan aktivitas biologis obat melalui sifat-sifat kimia fisika kelarutan dalam lemak (lipofilik), derajat ionisasi (elektronik), dan ukuran molekul (sterik). Setelah itu HKSA suatu seri molekul, mulai berkembang secara intensif. Hubungan yang baik digunakan untuk menunjang model interaksi obat-reseptor reseptor.

3 Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas (HKSA) bagian penting rancangan obat dalam usaha mendapatkan obat baru dengan : a. aktivitas lebih besar, b. lebih selektif, c. toksisitas atau efek samping lebih rendah, d. kenyamanan yang lebih besar, e. lebih ekonomis faktor coba-coba ditekan sekecil mungkin jalur sintesis menjadi lebih pendek. Model Pendekatan HKSA 1. Model de novo Free-Wilson 2. Model LFER Hansch

4 Model Pendekatan HKSA Free-Wilson Respons biologis merupakan sumbangan aktivitas substituen terhadap aktivitas senyawa induk : Log 1/C = Σ S μ gugus Log 1/C = logaritma aktivitas biologis Σ S = total sumbangan substituen terhadap aktivitas biologis senyawa induk μ = aktivitas biologis senyawa induk Pada substitusi bermacam-macam gugus di daerah/zona yang berbeda dari struktur senyawa induk : Log 1/C = Σ A n.b n μ Σ A n.b n = total sumbangan aktivitas dari n substituen dalam n zona terhadap aktivitas senyawa induk

5 X R N(CH 3 ) 2 OH Contoh model de novo Free-Wilson HKSA turunan 6-deoksitetrasiklin terhadap Staphylococcus aureus Struktur umum : Y OH O OH OH O CONH 2 No. senyawa R X Y H CH 3 NO 2 Cl Br NO 2 NH 2 NHCOCH 3 Log 1/C

6 Aktivitas biologis = (R) (X) (Y) μ (R), (X) dan (Y) = sumbangan aktivitas dari gugus-gugus yang terdapat pada posisi R, X dan Y. 1. (H) R (NO 2 ) X (NO 2 ) Y μ = (H) R (Cl) X (NO 2 ) Y μ = (H) R (Br) X (NO 2 ) Y μ = (H) R (Cl) X (NH 2 ) Y μ = (H) R (Br) X (NH 2 ) Y μ = (H) R (NO 2 ) X (NH 2 ) Y μ = (CH 3 ) R (NO 2 ) X (NH 2 ) Y μ = (CH 3 ) R (NO 2 ) X (NHCOCH 3 ) Y μ = (CH 3 ) R (Br) X (NH 2 ) Y μ = (CH 3 ) R (Br) X (NHCOCH 3 ) Y μ = 75

7 Sumbangan aktivitas substituen-substituen terhadap aktivitas 6-deoksitetrasiklin dihitung menggunakan komputer Program QSAR : No. Posisi Substituen Substituen Sumbangan Aktivitas 1 R H 75 2 R CH X Cl 84 4 X Br X NO Y NH Y NHCOCH Y NO Aktivitas senyawa induk (μ) 161

8 Model de novo ini kurang berkembang karena: 1. Tidak dapat digunakan bila efek substituen bersifat tidak linier 2. Bila ada interaksi antar substituen. 3. Memerlukan banyak senyawa dengan kombinasi substituen bervariasi untuk dapat menarik kesimpulan yang benar. Keuntungan : 1. Dapat menguji HKSA turunan senyawa dengan bermacam-macam gugus substitusi pada berbagai zona. 2. Digunakan bila tidak ada data tetapan kimia fisika dari senyawa dan uji aktivitas lebih lambat dibanding dengan sintesis turunan senyawa.

9 Model pendekatan HKSA Hansch Pendekatan HKSA Hansch dinyatakan melalui persamaan regresi linier : log 1/C = a Σ π b Σ σ c Σ E s C = kadar untuk respons biologis baku. d Σπ, Σ σdan Σ E s = sumbangan sifat-sifat lipofilik, elektronik dan sterik dari gugus terhadap sifat senyawa induk yang dapat mempengaruhi aktivitas biologis. a, b, c, dan d = bilangan (tetapan) yang didapat dari perhitungan analisis regresi linier. Log P optimal (Log Po) Pengaruh log P kurva parabolik (non linier) A Log 1/C = a (log P) 2 b log P c Log P log 1/C = a (Σ( π) 2 b Σ π c Σ σ d Σ E s e

10 SIMBOL PARAMETER KETERANGAN PARAMETER HIDROFOBIK Log P, (log P) 2 Logaritma koefisien partisi log P = Σ π π, π 2 Tetapan substituen hidrofobik Hansch-Fujita π X = log P SX - log P SH f Tetapan fragmentasi Rekker-Mannhold log P = Σ f ƒ Tetapan fragmentasi Hansch-Leo Rm Parameter kromatografi R m = log { (1/R f ) - 1 } Δ Rm Parameter kromatografi substituen Δ R m = R m (RX) - R m (RH) δ, log δ Parameter kelarutan log S w Logaritma kelarutan dalam air PARAMETER ELEKTRONIK A. Parameter percobaan pka Negatif logaritma tetapan ionisasi Δ pka Perubahan negatif logaritma tetapan ionisasi log K Tetapan keseimbangan reaksi Tetapan reaksi t 1/2 Parameter reaksi I Potensial ionisasi P E Polarisabilitas molar elektronik α Polarisabilitas elektronik μ Dipol momen elektrik Sifat organik fisik Δ ppm Pergeseran kimia spektra NMR Δ ν Pergeseran kimia spektra IR Ε Potensial redoks

11 B. Parameter semi teoritis σ, σ 2 Tetapan elektronik Hammett σx = pka SX - pka SH σ m Efek elektronik substituen pada posisi meta Efek elektronik substituen pada posisi para σ p σi Tetapan induktif alifatik Taft σ i = 1/2 ( 3 σ p - σ m ) σ* Tetapan substituen polar Taft σ * = 2,51 σ i F Tetapan induktif field σ = af br R Tetapan resonansi Tetapan reaksi homolitik E R C. Parameter teori orbital molekul E tot Total energi elektron dalam molekul Energi minimum konformasi molekul E HOMO Kemampuan donor elektron total molekul Total energi elektron mol. Kemampuan aseptor elektron total molekul E LEMO ε Kerapatan muatan atom q Muatan elektronik atom N S r Superdelokalisabilitas nukleofilik Kerapatan elektron E S r Superdelokalisabilitas elektrofilik dan energi atom Superdelokalisabilitas radikal bebas S r R c Koefisien orbital atom

12 A. Parameter meruah (bulk ) PARAMETER STERIK Berat molekul Volume molar M R Refraksi molar M R = (n 2-1) x BM / (n 2-2) x d M W M V P Parakor [P] = BM x (γ) 1/4 / (D-d) Volume van der Waal s V W B. Parameter sterik (true ) E s Parameter sterik Taft E s = log ( K SX /K SCH3 ) a Parameter sterik terkoreksi Hancock s c E s = Es - 0,306 ( n - 3 ) R Jarak antar atom r av Jari-jari van der Waal s r av = 1/2 [ r v(min) r v(maks) ] U Tetapan sterik Charton U = r v(min) - 1,20 E s c L Panjang substituen (panjang aksis ikatan antara substituen dengan molekul induk) B 1 Lebar minimal substituen Tetapan sterimol B 2 B 3 B 4 Lebar tambahan Verloop Lebar maksimal substituen B 5

13 Statistik dalam HKSA a. Regresi Linier Y = ax b Y = aktivitas biologis (variabel tergantung) X = parameter kimia fisika (variabel tidak tergantung) a,b = koefisien regresi Y = ax 1 bx 2 c Y = ax 1 bx 2 cx 3 d X 1, X 2, dan X 3 = parameter-parameter kimia fisika 1, 2 dan 3.

14 b. Regresi Non Linier Y = a(x) 2 bx c Y = - a(x) 2 bx c Regresi non linier untuk dua dan tiga parameter : Y = - a(x 1 ) 2 bx 1 cx 2 d Y = - a(x 1 ) 2 bx 1 cx 2 dx 3 e Perhitungan analisis regresi dapat dilakukan dengan menggunakan Program Komputer : QSAR / SPSS / STATGRAPHICS / SIGMASTAT / MINITAB / STATISTIKA dll.

15 Contoh HKSA Model Hansch 1) Hubungan linier antara aktivitas biologis dengan log P log 1/C = a log P b Sistem Biologis Tipe Senyawa a b n r s Penghambatan S. aureus ROH 0,67 0,07 9 0,964 0,112 Koefisien fenol, S. typhosa ROH 1,02-1, ,996 0,090 Narkosis, tad poles ROH 1,28 0,59 7 0,999 0,055 Koefisien fenol, S. aureus 4-Alkilresorsinol 0,91-1,10 8 0,952 0,409 Hipnosis, tikus Arilalkilurea 0,55 2, ,943 0,116

16 2) Hubungan nonlinier antara aktivitas biologis dengan log P log 1/C = a (log P) 2 b log P c Sistem Biologis Tipe Senyawa a b c n r s Koefisien fenol, S. aureus Ester 4-OH asam benzoat -0,17 1,78-2,20 8 0,997 0,066 Koefisien fenol, S. typhosa 4-Alkilresorsinol -0,20 1,77-1, ,982 0,180 Lokalisasi dalam otak tikus Asam benzenboronat -0,53 2,47-1, ,915 0,214 Hipnosis, tikus, MED Barbiturat -0,55 1,80 2, ,855 0,124 Hipnosis, kelinci, MED Tiobarbiturat -0,33 2,22 0, ,958 0,101 3) Hubungan nonlinier antara aktivitas biologis dengan π dan σ log 1/C = a (π ) 2 b π c σ d Sistem Biologis Tipe Senyawa a b c d n r s Penghambatan S. aureus Kloramfenikol -0,54 0,48 2,13 0,22 9 0,945 0,264 Penghambatan E. coli Kloramfenikol -0,68 0,31 1,36 0, ,818 0,555

17 HSA Turunan Kloramfenikol Struktur umum: R OH O CH CH NH C CHCl 2 CH 2 OH No. R σ π Log A (pengamatan) Log A (perhitungan) 1 -NO 2 0,71 0,06 2,00 1,77 2 -CN 0,68-0,31 1,40 1,47 3 -SO 2 CH 3 0,65-0,47 1,04 1,27 4 -CO 2 CH 3 0,32-0,04 1,00 0,89 5 -Cl 0,37 0,70 1,00 1,08 6 -NN-C 6 H 5 0,58 1,72 0,78 0,69 7 -OCH 3 0,12-0,04 0,74 0,46 8 -NHCO-C 6 H 5 0,22 0,72 0,40 0,76 9 -NHCOCH 3 0,10-0,79-0,30-0,28

18 Perhitungan analisis regresi non linier persamaan terbaik sbb: Log A = - 0,54 (π) 2 0,48 π 2,13 σ 0,22 ( n = 9; r = 0,945; S = 0,264; F = 13,84 ) Dari persamaan di atas disimpulkan : 1. Ada hubungan parabolik yang bermakna antara sifat elektronik (σ) dan lipofilik (π) dari gugus R turunan kloramfenikol dengan aktivitas antibakteri terhadap Staphylococcus aureus pengaruh sifat elektronik > lipofilik. 2. Kloramfenikol (R = NO 2 ) mempunyai aktivitas antibakteri terhadap Staphylococcus aureus yang optimal. 3. Untuk mendapatkan senyawa turunan kloramfenikol baru dengan aktivitas optimal, harus diperhatikan agar substituen R bersifat penarik elektron kuat atau nilai σ () relatif besar, dan mempunyai sifat lipofilik lemah atau nilai π () relatif rendah.

19 HSA Obat Penekan Sistem Saraf Pusat Hansch dkk. efek penekan SSP ideal dicapai bila senyawa mempunyai nilai P oktanol-air = 100/1 atau nilai log P = 2. Struktur obat sedatif dan hipnotik mengandung : 1. Bagian molekul non ionik yang sangat polar, dengan nilai π (-) besar. 2. Gugus hidrokarbon atau hidrokarbon terhalogenasi, yang bersifat non polar, dengan nilai π berkisar antara 1-3. Contoh: Turunan barbiturat (amobarbital) Substituen O Nilai π H 3 CH 2 C O (-) 1,35 NH H H 3 C CH CH 2 CH 2 H () 1,00 3 CH 2 C CH 3 O N O H H 3 C CH CH 2 CH 2 () 2,30 O N NH O Amobarbital CH 3 Log P ( Σ π ) = () 1,95

20 HSA Turunan Fenol Yasuda hubungan perubahan struktur dan aktivitas penghambatan spora Bacillus subtilis (Log 1/I 50 ) dengan nilai log P dan pka turunan fenol Log 1/I 50 = 0,43 Log P 1,84 [1] ( n = 39; r = 0,747; S = 0,496; F = 46,6 ) Log 1/I 50 = 0,49 Log P 0,13 pka 0,58 [2] ( n = 39; r = 0,830; S = 0,416; F = 39,9 ) Log 1/I 50 = 1,13 Log P - 0,1 (Log P) 2 0,89 [3] ( n = 39; r = 0,874; S = 0,363; F = 58,0 ) Log 1/I 50 = 1,08 Log P - 0,09 (Log P) 2 0,1 pka 0,07 [4] ( n = 39; r = 0,913; S = 0,305; F = 58,3 )

21 HSA Turunan Asam Benzen Boronat Hansch HSA antitumor turunan asam benzen boronat [ R-C 6 H 5 -B(OH) 2 ] ada hubungan bermakna antara sifat lipofil ( π ) turunan asam benzen boronat dengan kadar obat dalam otak ( log C ) Log C = - 0,540 (π ) 2 0,765 π 1,505 ( n = 14; r 2 = 0,857; S = 0,214 ) Gugus asam boronat yang bersifat elektron donor atau nilai π (-), memudahkan interaksi obat dengan jaringan tumor yang kekurangan elektron lokalisasi selektif turunan asam benzen boronat dalam jaringan tumor di otak tergantung pada sifat lipofil dan elektronik senyawa. Bila dilakukan radiasi dengan sinar neutron, senyawa akan melepaskan radiasi α dengan energi tinggi merusak jaringan tumor otak.

22 Dalam HKSA, model Hansch lebih berkembang dan lebih banyak digunakan dibanding model de novo Free-Wilson oleh karena : 1. Lebih sederhana. 2. Konsepnya secara langsung berhubungan dengan prinsip-prinsip kimia fisika organik yang sudah ada. 3. Dapat untuk hubungan linier dan non-linier 4. Data parameter sifat kimia fisika substituen sudah banyak tersedia dalam tabel-tabel. 5. Penggunaan pendekatan model Hansch telah banyak dapat menjelaskan hubungan struktur dan aktivitas suatu turunan obat.