PENAPISAN FITOKIMIA INDONESIA SEBAGAI AGONIS RESEPTOR GLUCAGON-LIKE PEPTIDE-1 IN SILICO PADA DIABETES MELITUS TIPE-2 SKRIPSI

PENAPISAN FITOKIMIA INDONESIA SEBAGAI AGONIS RESEPTOR GLUCAGON-LIKE PEPTIDE-1 IN SILICO PADA DIABETES MELITUS TIPE-2 SKRIPSI Untuk Memenuhi Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Kedokteran HUMAMUDDIN G0013114 FAKULTAS KEDOKTERAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET Surakarta 2016

PENGESAHAN SKRIPSI Skripsi dengan judul: Penapisan Fitokimia Indonesia Sebagai Agonis Reseptor Glucagon-Like Peptide-1 In Silico pada Diabetes Melitus Tipe-2 Humamuddin, NIM: G0013114, Tahun: 2016 Telah diuji dan sudah disahkan di hadapan Dewan Penguji Skripsi Fakultas Kedokteran Universitas Sebelas Maret Pada Hari Jumat, 20 Januari 2017 Pembimbing Utama Nama : R.Aj. Sri Wulandari, dr., M.Sc NIP : 19780503 200608 2 001 (..) Pembimbing Pendamping Nama : Yuliana Heri Suselo, dr., M.Sc NIP : 19800718 200604 2 001 (..) Penguji Utama Nama : Dono Indarto, dr., M.Biotech, St.Ph.D, AIFM NIP : 19670104 199601 1 001 (..) Surakarta,... Ketua Tim Skripsi Kepala Program Studi Kusmadewi Eka Damayanti, dr., M.Gizi Sinu Andhi Jusup, dr., M.Kes NIP 19830509 200801 2 005 NIP 19700607 200112 1 002 ii

PERNYATAAN Dengan ini menyatakan bahwa dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan penulis tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah dan disebutkan dalam daftar pustaka. Surakarta, 28 Desember 2016 Humamuddin NIM.G0013114 iii

ABSTRAK Humamuddin, G0013114, 2016. Penapisan Fitokimia Indonesia Sebagai Agonis Reseptor Glucagon-Like Peptide-1 In Silico pada Diabetes Melitus Tipe-2. Skripsi. Fakultas Kedokteran, Universitas Sebelas Maret, Surakarta. Latar Belakang: Prevalensi diabetes melitus (DM) terus meningkat di dunia, sedangkan terapi DM menggunakan obat oral antidiabetik (OAD) belum efektif. Agonis GLP-1R merupakan obat DM yang banyak dikembangkan karena dapat menurunkan kadar gula darah tanpa efek hipoglikemia. Namun, agonis GLP-1R memiliki efek samping berat seperti pankreatitis, kanker tiroid, dan kanker pankreas. Indonesia memiliki 9.600 spesies tanaman yang beberapa diantaranya memiliki efek farmakologis sehingga berpotensi dikembangkan sebagai obat. Penelitian ini bertujuan mengidentifikasi fitokimia Indonesia yang memiliki aktivitas sebagai agonis GLP-1R secara in silico Metode Penelitian: Penelitian ini adalah penelitian bioinformatika. Sampel penelitian berupa 517 senyawa herbal di Indonesia yang memenuhi kriteria Lipinski dari total 6.776 senyawa aktif pada database HerbalDB. Senyawa standar yang digunakan adalah potongan residu Exendin-4. Struktur Exendin-4 yang berikatan dengan GLP-1R diperoleh dari Protein Data Bank dengan kode: 3C5T. Validasi potongan Exendin-4 dengan GLP-1R dilakukan untuk mendapatkan skor docking dan lokasi ikatannya pada GLP-1R. Molecular docking antara senyawa fitokimia dengan GLP-1R dilakukan dengan Autodock Vina 1.1.2. Visualisasi hasil docking dilakukan dengan Pymol 1.7.4. Kandidat agonis GLP-1R dianalisis berdasarkan skor docking, kesamaan lokasi ikatan dan kriteria Lipinski s rule of five. Hasil Penelitian: Boeravinon F, Luteolin, Scoulerine, dan Cleomiscosin D merupakan 4 fitokimia terpilih yang paling berpotensi menjadi agonis GLP-1R berdasarkan analisis skor docking dan kesamaan lokasi ikatan dengan potongan Exendin-4. Boeravinon F berikatan pada Leu 32, Glu 127, dan Glu 68 dengan skor docking -5,4 kkal/mol, -6,7 kkal/mol, dan -4,28 kkal/mol secara berurutan. Luteolin berikatan pada Leu 32, Glu 127, dan Glu 68 dengan skor docking -5,2 kkal/mol, -6,34 kkal/mol, dan -4,22 kkal/mol secara berurutan. Scoulerine berikatan pada Leu 32, Glu 128, dan Glu 127 dengan skor docking -5,18 kkal/mol, - 5,86 kkal/mol, dan -6,3 kkal/mol secara berurutan. Cleomiscosin D berikatan pada Glu 128, Glu 127, dan Glu 68 dengan skor docking -5,8 kkal/mol, -6,36 kkal/mol, dan - 3,72 kkal/mol secara berurutan. Simpulan: Boeravinon F, Scoulerine, Luteolin, dan Cleomiscosin D merupakan fitokimia Indonesia yang paling berpotensi menjadi agonis GLP-1R in silico. Kata kunci: Agonis GLP-1R, fitokimia Indonesia, molecular docking, diabetes melitus. iv

ABSTRACT Humamuddin, G013114, 2016. Screening of Indonesian Pythochemicals as Glucagon-Like Peptide-1 Receptor Agonist In Silico in Type-2 Diabetes Mellitus. Mini Thesis, Faculty of Medicine, Sebelas Maret University, Surakarta. Background: Prevalence of diabetes mellitus (DM) continues to rise in the world, while DM therapy using oral antidiabetic drug (OAD) was still not effective. GLP-1R agonist was a drug that has been developed because it can lower blood sugar levels without hypoglycemic effect. However, GLP-1R agonists have severe side effects such as pancreatitis, thyroid cancer, and pancreatic cancer. Indonesia has 9,600 herbal plants, some of which have a pharmacological effect that could potentially be developed as a drug. This study aimed to identify the Indonesian pythochemicals that have activity as GLP-1R agonist in silico. Methods: The research was a bioinformatics study which utilized all phytochemicals in HerbalDB that had PubChem access code and met the criteria for Lipinski's rule of five as sample. Truncated Exendin-4 was used as standard compound. The structure of Exendin-4 bound to GLP-1R was obtained from the Protein Data Bank, code: 3C5T. Validation of truncated Exendin-4 with GLP-1R needed to get docking scores and binding site at GLP-1R. Molecular docking between phytochemical compounds with GLP-1R models was done using AutodockVina 1.1.2. Visualization of docking results was done using PyMOL 1.7.4. GLP-1R agonist candidates were analyzed based on binding affinity, binding site similarity, and Lipinski's rule of five criterias. Results: Boeravinon F, Scoulerine, Luteolin, and Cleomiscosin D were four selected phytochemicals of the most potentially as GLP-1R agonist based on analysis of docking scores and binding site similarity with truncated Exendin-4. Boeravinon F bound to Leu 32, Glu 127, and Glu 68 with docking scores of -5.4 kcal/mol, 6.7 kcal/mol, and -4.28 kcal/mol, respectively. Luteolin bound to Leu 32, Glu 127, and Glu 68 with docking scores of -5.2 kcal/mol, -6.34 kcal/mol, and -4.22 kcal/mol, respectively. Scoulerine bound to Leu 32, Glu 128, and Glu 127 with docking score of -5.18 kcal/mol, -5.86 kcal/mol and -6.3 kcal/mol, respectively. Cleomiscosin D bound to the Glu 128, Glu 127, and Glu 68 with docking scores of -5.8 kcal/mol, -6.36 kcal/mol, and -3.72 kcal/ mol, respectively. Conclusion: Boeravinon F, Scoulerine, Luteolin, and Cleomiscosin D were the most potent Indonesian phytochemicals that could be a GLP-1R agonist in silico. Keywords: GLP-1R agonists, Indonesian phytochemicals, molecular docking, diabetes mellitus v

PRAKATA Alhamdulillah segala puji hanya milik Allah atas berbagai limpahan rahmat dan karunia-nya, penulis dapat menyelesaikan penelitian dengan judul Penapisan Fitokimia Indonesia Sebagai Agonis Reseptor Glucagon-Like Peptide- 1 In Silico pada Diabetes Melitus Tipe-2. Penelitian ini merupakan salah satu persyaratan dalam menyelesaikan Program Sarjana Kedokteran di Fakultas Kedokteran Universitas Sebelas Maret Surakarta. Penelitian ini dapat terlaksana dengan baik berkat adanya bimbingan, kerja sama, dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis menyampaikan ucapan terimakasih dan penghargaan kepada : 1. Allah Subhaanahu wa Ta ala, karena berkat karunia-nya lah, penulis bisa menyelesaikan penelitian skripsi ini. 2. Prof. Dr. Hartono, dr., M.Si, selaku Dekan Fakultas Kedokteran Universitas Sebelas Maret Surakarta 3. Sinu Andhi Jusup, dr., M.Kes, selaku Ketua Program Studi Kedokteran Fakultas Kedokteran Universitas Sebelas Maret Surakarta. 4. Kusmadewi Eka Damayanti, dr., M.Gizi, selaku Ketua Tim Skripsi Fakultas Kedokteran Universitas Sebelas Maret Surakarta. 5. R.Aj. Sri Wulandari, dr., M.Sc, selaku Pembimbing Utama dan Yuliana Heri Suselo, dr., M.Sc, selaku Pembimbing Pendamping yang telah menyediakan waktu untuk membimbing hingga selesainya skripsi ini. 6. Dono Indarto, dr., M.Biotech, St.Ph.D, AIFM, selaku Penguji yang banyak memberikan saran dan kritik dalam penulisan skripsi ini. 7. Kedua orangtua saya tercinta, Bapak Almarhum Drs. Noor Hadi, M.Ag, M.Pd, dan Ibu Siti Soekiswati, dr., M.H, serta adik-adik saya Khoirul Fahmi, Amila Dina, Izzuddin Baqi, Lisanul Latifah, dan Naila Husna yang senantiasa memberikan motivasi, nasihat, cinta, perhatian, kasih sayang dan doa yang tak henti-hentinya. 8. Arifin, Khariz, Kamil, Adam, Andre, dan teman-teman Tim moldock lainnya, Alim, Brilli, Hendri, Lutfir, dan teman-teman SKI lainnya, teman-teman di kelompok tutorial yang banyak memberikan bantuan saya dalam berproses, serta teman-teman Asisten Patologi Anatomi yang juga memberikan dukungan dalam menyelesaikan penelitian ini. 9. Semua pihak yang secara langsung maupun tidak langsung membantu proses penelitian tugas karya akhir ini yang tidak mungkin disebutkan satu - persatu. Meskipun tulisan ini masih jauh dari kata sempurna, penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Surakarta, 26 Desember 2016 Humamuddin vi

DAFTAR ISI PRAKATA... vi DAFTAR ISI... vii DAFTAR TABEL... xi DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR LAMPIRAN... xv BAB I. PENDAHULUAN... 1 A. Latar Belakang Masalah... 1 B. Perumusan Masalah... 5 C. Tujuan Penelitian...... 5 D. Manfaat Penelitian... 5 BAB II. LANDASAN TEORI... 6 A. Tinjauan Pustaka... 6 1. Diabetes Melitus... 6 a. Gambaran Umum... 6 b. Penatalaksanaan DM tipe 2... 7 1) Edukasi... 7 2) Terapi Nutrisi Medis... 8 3) Latihan Jasmani... 9 4) Intervensi Farmakologis... 9 a) Peningkat sensitivitas terhadap insulin... 9 (1) Metformin (Biguanide)... 9 vii

(2) Thiazolidinedione (TZD)... 11 b) Pemacu sekresi insulin (insulin secretagogue)... 12 (1) Sulfonilurea... 12 (2) Glinid (meglitinide)... 13 c) Penghambat α-glukosidase... 14 d) Penghambat Dipeptidyl Peptidase-4 (DPP-4)... 15 e) Penghambat Sodium Glucose Co-transporter 2... 16 f) Insulin... 16 g) Agonis reseptor GLP-1... 18 c. Target Terapi Pada DM Tipe 2... 19 2. Memori Glucagon-Like Peptide-1 (GLP-1)... 20 a. Gambaran Umum... 20 b. Struktur GLP-1 dan Interaksinya dengan Reseptor GLP-1 23 3. Reseptor GLP-1... 25 a. Gambaran Umum... 25 b. Struktur Reseptor GLP-1... 26 4. Agonis Reseptor GLP-1... 28 5. Tanaman Herbal di Indonesia... 32 6. Molecular Docking... 33 a. Gambaran Umum... 33 b. Metode Molecular Docking... 34 1) Rigid Ligan dan Rigid Receptor... 34 2) Flexible Ligan dan Rigid Receptor... 35 viii

3) Flexible Ligan dan Flexible Receptor... 35 c. Penentuan Afinitas Ikatan Dua Molekul... 35 d. Lipinski s Rule of Five... 37 e. Program Molecular Docking AutoDock Vina... 38 1) AutoDock Vina... 38 2) igemdock... 38 3) Molegro Virtual Docker (MolDock)... 39 f. Aplikasi Molecular Docking pada Pengembangan Obat... 39 B. Kerangka Pemikiran... 40 C. Hipotesis... 41 BAB III. METODE PENELITIAN...... 42 A. Jenis Penelitian...... 42 B. Tempat dan Waktu Penelitian... 42 C. Sampel Penelitian... 42 D. Identifikasi Variabel... 43 E. Definisi Operasional Variabel... 43 F. Instrumen Penelitian... 44 G. Cara Kerja Penelitian... 45 H. Teknik Analisis Data... 49 I. Rancangan Penelitian... 50 BAB IV. HASIL PENELITIAN... 51 A. Validasi Docking Senyawa Standar Exendin-4 dengan Reseptor GLP-1 (GLP-1R)... 51 ix

B. Analisis Skor dan Lokasi Ikatan pada Fitokimia Hasil Molecular Docking dengan GLP-1R... 60 BAB V. PEMBAHASAN... 82 A. Pemilihan Lokasi Pemotongan Residu dan Validasi Exendin-4... 82 B. Analisis Hasil Docking Senyawa Fitokimia... 85 1. Analisis Skor Docking... 86 2. Analisis Hasil Interaksi Ikatan Molecular Docking... 88 3. Analisis Kriteria Lipinski s Rule of Five... 91 C. Potensi Terapeutik 13 Senyawa Fitokimia yang Diprediksi sebagai Agonis GLP-1R... 95 D. Keterbatasan Penelitian... 104 BAB VI. SIMPULAN DAN SARAN... 105 A. Simpulan... 105 B. Saran... 105 DAFTAR PUSTAKA... 106 x

DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Klasifikasi Diabetes Melitus... 6 Tabel 2.2. Lokasi Ikatan GLP-1 dan Exendin-4 dengan GLP-1R... 30 Tabel 2.3. Program Molecular Docking dan Aplikasinya... 39 Tabel 3.1. Lokasi Pemotongan Residu Exendin-4... 46 Tabel 3.2. Penentuan Kotak Grid Senyawa Standar Exendin-4... 47 Tabel 4.1. Variasi Pemotongan Exendin-4, Karakteristik, dan Lokasi Ikatannya Sebelum dan Setelah Proses Docking... 52 Tabel 4.2. Hasil Validasi Molecular Docking Standar 1 (Gln 13 -X n -Glu 17 )... 54 Tabel 4.3. Hasil Validasi Molecular Docking Standar 2 (Glu 17 -X n -Arg 20 )... 55 Tabel 4.4. Hasil Validasi Molecular Docking Standar 3 (Leu 26 dan Lys 27 )... 56 Tabel 4.5. Hasil Validasi Molecular Docking Standar 4 (Pro 31 dan Ser 32 )... 57 Tabel 4.6. Interaksi Atom Antara Keempat Standar dengan GLP-1R Beserta Karakteristiknya... 58 Tabel 4.7.1. Fitokimia dengan 3 Lokasi Ikatan Sama Dibandingkan Exendin-4 Beserta Karakteristiknya... 61 Tabel 4.7.2. Fitokimia dengan 3 Lokasi Ikatan Sama Dibandingkan Exendin-4 Beserta Karakteristiknya (Lanjutan)... 62 Tabel 4.8. Interaksi Atom (IA) dan Jenis Ikatan (JI) pada 10 Fitokimia Dibandingkan Keempat Potongan Exendin-4... 74 Tabel 4.9. Tiga Fitokimia dengan Skor Docking Terendah yang Memiliki 2 Lokasi Ikatan Sama Dibandingkan Potongan Exendin-4 xi

Beserta Karakteristiknya.... 77 Tabel 4.10. Interaksi Atom (IA) dan Jenis Ikatan (JI) pada 3 Fitokimia dengan 2 Kesamaan Lokasi Ikatan Dibandingkan Keempat Potongan Exendin-4... 81 xii

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Mekanisme Sekresi Insulin yang Diperantarai oleh GLP-1... 23 Gambar 2.2. Struktur residu GLP-1... 24 Gambar 2.3. Interaksi GLP-1 dengan GLP-1R... 26 Gambar 2.4. Struktur GLP-1 Berikatan dengan GLP-1R... 27 Gambar 2.5. Struktur Exendin-4 dan sequence alignment GLP-1 dengan Exendin-4... 29 Gambar 2.6. Interaksi Antara Exendin-4 dengan Reseptor GLP-1... 31 Gambar 2.7. Skema Kerangka Pemikiran... 40 Gambar 3.1. Skema Rancangan Penelitian... 50 Gambar 4.1. Visualisasi Hasil Docking Standar 1 dengan GLP-1R... 54 Gambar 4.2. Visualisasi Hasil Docking Standar 2 dengan GLP-1R... 55 Gambar 4.3. Visualisasi Hasil Docking Standar 3 dengan GLP-1R... 56 Gambar 4.4. Visualisasi Hasil Docking Standar 4 dengan GLP-1R... 57 Gambar 4.5. Visualisasi Hasil Docking Cleomiscosin D-GLP-1R... 64 Gambar 4.6. Visualisasi Hasil Docking Artocarpesin-GLP-1R... 65 Gambar 4.7. Visualisasi Hasil Docking Boeravinone F-GLP-1R... 66 Gambar 4.8. Visualisasi Hasil Docking Aureusidin-GLP-1R... 67 Gambar 4.9. Visualisasi Hasil Docking Scoulerine-GLP-1R... 68 Gambar 4.10. Visualisasi Hasil Docking Luteolin-GLP-1R... 69 Gambar 4.11. Visualisasi Hasil Docking Isorhamnetin-GLP-1R... 70 Gambar 4.12. Visualisasi Hasil Docking Kaempferol-GLP-1R... 71 Gambar 4.13. Visualisasi Hasil Docking Eupatorin-GLP-1R... 72 xiii

Gambar 4.14. Visualisasi Hasil Docking Wighteone-GLP-1R... 73 Gambar 4.15. Visualisasi Hasil Docking Liriodenine-GLP-1R... 78 Gambar 4.16. Visualisasi Hasil Docking Withanolide-GLP-1R... 79 Gambar 4.17. Visualisasi Hasil Docking Sapogenin-GLP-1R... 84 xiv

DAFTAR SINGKATAN 7TM AC Ala AMP AMPK Arg Asn Asp ATP BMI camp camp-gef CVD Cys DE DM DNA DPP-4 EA ECD ER GFR : Seven-Transmembrane Helix : Adenylyl Cyclase : Alanine : Adenosine Monophosphate : Adenosine Monophosphate-Activated Protein Kinase : Arginine : Asparagine : Aspartate : Adenosine Triphosphate : Body Mass Index : Cyclic Adenosine Monophosphate : camp-regulated Guanine Nucleotide Exchange Factor : Cardiovasular Disease : Cysteine : Differential Evolution : Diabetes Melitus : Deoxyribonucleic Acid : Dipeptidyl-Peptidase-4 : Evolutionary Algorithm : Extracellular N-Terminal Domain : Retikulum Endoplasma : Glomerulus Filtration Rate xv

Gln GLP-1 GLP-1R Glu GLUT Gly GPCR HbA1c HCV HDL His HTS Ile ILS KATP Channel Kv Channel LBVS LDL Leu Lys MD Met : Glutamine : Glucagon-Like Peptide-1 : Reseptor Glucagon-Like Peptide-1 : Glutamate : Glucose Transporter : Glycine : G-Protein-Coupled Receptor : Hemoglobin A1c : Hepatitis C Virus : High-Density Lipoproteins : Histidine : High-Throughput Screening : Isoleucine : Iterated Local Search : ATP-sensitive K + Channel : Voltage-Dependent K + Channel : Ligan-Based Virtual Screening : Low-Density Lipoprotein : Leucine : Lysine : Molecular Dynamics : Methionine NEP 24,11 : Neutral Endopeptidase 24,11 xvi

NYHA OAD OCT PDB Phe PKA PLP PMAT PPAR-γ PPOK Pro QSAR RMSD RXR sac SBVS Ser : New York Heart Association : Oral Antidiabetik : Organic Cation Transporter : Protein Data Bank : Phenylalanine : Protein Kinase A : Piecewise Linear Potential : Plasma Membrane Monoamine Transporter : Peroxisome Proliferator-Activated Receptor-γ : Penyakit Paru Obstruktif Kronis : Proline : Quantitative Stucture Activity Relationship : Root Mean Square Deviation : Retinoic X Receptor : Soluble Adenylyl Cyclase : Structure-Based Virtual Screening : Serine SGLT-2 : Sodium-Glucose Cotransporter 2 TCM Thr TMD TNM Trp : Traditional Chinese Medicine : Threonine : Transmembrane α-helix Domain : Terapi Nutrisi Medis : Tryptophan xvii

Tyr TZD Val VDCC VS : Tyrosine : Thiazolidinedione : Valine : Voltage-Dependent Ca 2+ Channel : Virtual Screening xviii

DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Hasil Molecular Docking 162 Fitokimia dengan Skor Lebih Rendah atau Sama dengan Standar 1...124 Lampiran 2. Skor dan Lokasi Ikatan Hasil Docking dengan Standar 1...128 Lampiran 3. Daftar 44 Senyawa Fitokimia Hasil Molecular Docking dengan Skor Lebih Rendah atau Sama dengan Standar 2...129 Lampiran 4. Skor dan Lokasi Ikatan Hasil Docking dengan Standar 2...130 Lampiran 5. 159 Senyawa Fitokimia Hasil Molecular Docking dengan Skor Lebih Rendah atau Sama dengan Standar 3...131 Lampiran 6. 36 Senyawa Fitokimia Hasil Docking yang Memiliki Lokasi Ikatan Sama dengan Standar 3...135 Lampiran 7. 355 Senyawa Fitokimia Hasil Molecular Docking dengan Skor Lebih Rendah atau Sama dengan Standar 4...136 Lampiran 8. 144 Senyawa Fitokimia Hasil Docking yang Memiliki Lokasi Ikatan Sama dengan Standar 4...144 Lampiran 9. 44 Senyawa Fitokimia yang Berikatan pada 2 Lokasi Ikatan Sama Dibandingkan Residu Standar Exendin-4 Beserta Karakteristiknya...148 Lampiran 10. Daftar Senyawa Fitokimia yang Berikatan pada 1 Lokasi Ikatan Sama Dibandingkan Residu Standar Exendin-4 dan Residu Asam Amino Arg 121 Beserta Karakteristiknya...151 Lampiran 11. 101 Senyawa Fitokimia yang Memiliki 1 Kesamaan Lokasi Ikatan Dibandingkan Residu Standar Exendin-4....152 xix