Simulasi Docking Molekular Senyawa Santorizol Sebagai Antiinflamasi Terhadap Enzim COX-1 dan COX-2 Deden Indra Dinata 1, Hardhi Suryatno 1, Ida Musfiroh 2 1 Sekolah Tinggi Farmasi Bandung 2 Fakultas Farmasi Universitas Padjadjaran idamusfiroh@unpad.ac.id Abstrak Enzim yang mempengaruhi proses inflamasi yaitu enzim COX-1 dan COX-2, kedua enzim tersebut berfungsi dalam pembentukan prostaglandin yang berkontribusi dalam pembentukan inflamasi. Santorizol diketahui mempunyai efek antiinflamasi sehingga dapat dilakukan uji simulasi docking xanthorrizol terhadap enzim COX-1 dan COX-2. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui interaksi senyawa santorizol yang berasal dari tanaman temulawak (Curcuma xanthorriza) dengan sisi aktif enzim COX-1 dan COX-2. Proses docking senyawa tersebut dilakukan menggunakan software Autodock 3.0. Hasil docking molekular antara santorizol dengan COX-1 yaitu atom O pada santorizol berinteraksi dengan Arg120 dan Tyr355. Sedangkan interaksi santorizol dengan COX-2 yaitu gugus OH dari santorizol berinteraksi dengan asam amino Gln178 dan Leu338. Leu338 merupakan salah satu asam amino spesifik pada kantung ikatan COX-2. Hasil penelitian menunjukkan bahwa santorizol dapat berinteraksi dengan sisi aktif enzim COX-1 dan COX-2, dan memiliki afinitas yang lebih tinggi untuk berikatan pada sisi aktif COX-2 dibandingkan pada COX-1. Kata Kunci: Docking, santorizol, antiinflamasi, COX-1, COX-2 Molecular Docking Simulation of Xanthorrizol Compounds Derived From Temulawak as Antiinflammatory on Enzymes COX-1 AND COX-2 Abstract There are two enzymes that influence inflammatory process, which are COX-1 and COX-2 enzymes, both of this enzymes have function in the establishment of prostaglandin that contribute in inflammation. Santorizol is known has antiinflammatory effect, so it can developed and tested by docking simulation to COX-1 and COX-2 enzymes. The aim of this research is to determine the interaction between santorizol that is derived from temulawak (Curcuma xanthorriza) with the active site of COX-1 and COX-2 enzymes. Docking simulation was done by using AutoDock Tools 4.0. The interactions between santorizol with COX-1 are O- santorizol interact with Arg120 and Tyr355. The interactions between santorizol with COX-2 are OH-santorizol interact with Gln178 and Leu338. Leu338 is specific amino acid in the binding pocket of COX- 2. Santorizol can interact with the active site of COX-1 and COX-2 enzymes, and show better affinity to COX-2. Keywords: Docking, santorizol, antiinflamasi, COX-1, COX-2 8
Pendahuluan Pada awal perkembangan obat, usaha penemuan obat baru pada umumnya bersifat coba-coba (trial and error) sehingga biaya pengembangan obat baru sangat mahal. Hal ini dapat dipahami mengingat bahwa dari 8.000 hingga 10.000 senyawa baru yang disintesis atau yang didapat dari sumber alam, setelah melalui berbagai uji kimia, fisika, aktivitas, farmakokinetik, toksisitas, farmakodinamik, dan uji klinik, kemungkinan hanya satu senyawa yang secara klinik dapat digunakan sebagai obat. 1 Waktu yang dibutuhkan, mulai dari proses sintesis atau ekstraksi, penapisan farmakologi, sampai evaluasi klinik dan persetujuan pendaftaran, memakan waktu lebih kurang 10 tahun. Hal tersebut juga disebabkan oleh ketatnya peraturanperaturan untuk obat baru untuk diijinkan dipasarkan. Ini berarti bahwa agar perkembangan obat baru tetap layak secara ekonomi, perlu terobosan pemikiran yang mendasar bagaimana melakukan penelitian dengan sejumlah kecil senyawa yang terpilih, dan bagaimana merancang senyawa dengan baik. 1 Untuk mengatasi masalah kekurangan dalam pengembangan obat baru sudah mulai mengurang dengan adanya teknik penemuan obat baru melalui studi komputasi, adalah cabang kimia yang menggunakan hasil kimia teori yang diterjemahkan ke dalam program komputer untuk menghitung sifatsifat molekul dan perubahannya maupun melakukan simulasi terhadap sistem-sistem besar (makromolekul seperti protein dan asam nukleat) dan sistem besar bisa mencakup kajian konformasi molekul dan perubahannya (misalnya proses denaturasi protein), perubahan fase, serta peramalan sifat-sifat makroskopik (seperti kalor jenis) berdasarkan perilaku di tingkat atom dan molekul. Istilah kimia teori dapat didefinisikan sebagai deskripsi matematika untuk kimia, sedangkan kimia komputasi biasanya digunakan ketika metode matematika dikembangkan dengan cukup baik untuk dapat digunakan dalam program komputer. Metode kimia komputasi tidak sepenuhnya dapat bisa di gunakan secara langsung, kimia komputasi dapat memprediksi bukan berarti dapat digunakan secara langsung, karena sedikit sekali aspek kimia yang dapat dihitung secara tepat. Hampir semua aspek kimia dapat digambarkan dalam skema komputasi kualitatif atau kuantitatif. 1 Santorizol merupakan komponen minyak atsiri dari rimpang temulawak. Santorizol diketahui memiliki aktivitas antiinflamasi. 2 Inflamasi adalah suatu respon organisme terhadap invasi oleh benda asing, seperti bakteri, parasit dan virus. Dalam konteks ini, respon inflamasi merupakan suatu reaksi protektif yang penting terhadap iritasi, luka, atau infeksi, yang ditandai dengan kemerahan, rasa panas, bengkak, hilangnya fungsi dan rasa sakit. 3 PGs (prostaglandin) merupakan suatu mediator endogen inflamasi dan dibentuk dari asam arakidonat oleh enzim konstitutif COX-1 dan enzim indusibel COX-2. Enzim COX-1 merupakan enzim konstitutif yang dapat mengkatalisis 9
pembentukan prostanoid regulatoris pada berbagai jaringan, terutama pada selaput lendir traktus gastrointestinal, ginjal, platelet dan epitel pembuluh darah. 4,5,6 Sedangkan, COX-2 tidak konstitutif tetapi dapat diinduksi, antara lain bila ada stimulus inflamasi, mitogenesis atau onkogenesis. 7, 8 Struktur santorizol mempunyai satu cincin aromatik yang dapat menimbulkan interaksi hidrofobik dengan reseptor dan satu gugus hidroksil yang dapat menjadi donor dan akseptor ikatan hydrogen. Interaksi santorizol dengan enzim COX-1 dan COX-2 belum dilaporkan. Tujuan penelitian ini untuk mengetahui afinitas dan interaksi senyawa santorizol terhadap enzim COX-1 dan COX-2, mengetahui ikatan hidrogen yang terbentuk antara santorizol dengan enzim COX-1 dan COX-2, serta mengetahui selektivitas santorizol dengan enzim COX-1 dan COX-2 dengan metode simulasi docking molekular. Metode Alat Perangkat lunak : ChemDraw versi 8, Hyperchem versi 7, PDB viewer, ArgusLab, dan Autodock 4. 7 Bahan Bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah struktur ligan yang telah digambar melalui perangkat lunak ChemDraw versi 8, optimasi struktur menggunakan software HyperChem v 7. Struktur protein yang telah dikristalografi yang diperoleh dari www.pdb.com. Analisis kantung ikatan COX-1 melalui redocking a. Persiapan reseptor Persiapan reseptor enzim COX dilakukan dengan pengunduhan enzim COX melalui website www.pdb.org kode PDB: 1EQG.8 b. Isolasi ligan (kristal) ibuprofen c. Analisis binding site Analisis binding site pada tahap ini ditujukan untuk melihat interaksi ibuprofen dengan enzim COX-1 d. Re- ligan ibuprofen pada COX-1 e. Analisis hasil docking dan visualiasi hasil docking Analisis kantung ikatan enzim COX-2 melalui redocking a. Persiapan reseptor Persiapan reseptor enzim COX-2 dilakukan dengan pengunduhan enzim COX melalui website www.pdb.org kode PDB: 3LN1. 9 b. Isolasi ligan alami celecoxib c. Analisis binding site Analisis binding site pada tahap ini ditujukan untuk melihat interaksi celecoxib dengan enzim COX-2, dan pada tahap ini kita dapat mengetahui residu asam amino kantung ikatan enzim COX-2. d. Re-docking ligan celecoxib pada COX-2 10
e. Analisis hasil docking dan visualisasi. Docking senyawa santorizol pada kantung ikatan COX-1 dan COX-2 a. Penyiapan ligan santorizol menggunakan program chem draw untuk membuat ligan santorizol dalam bentuk dua dimensinya dalam format *.mol, kemudian hasil senyawa santorizol yang telah kita buat dibuka pada program HyperChem dan tambahkan rantai hidrogen kemudian energi semiempirical dipilih dan digunakan AM1. Optimasi geometrinya dengan polakribiere lalu save dengan format *.hin, hasil ligan yang telah di optimasi convert menjadi file *.pdb dengan program Arguslab. b. Docking santorizol pada kantung ikatan COX-1 dan COX-2. Setelah senyawa santorizol telah dibuat dalam Hasil file berformat *.pdb lalu kita docking terhadap kantung COX-1 dan COX-2 Pada Tabel 1 menunjukkan hasil validasi kantung ikatan enzim COX- 1 (kode pdb : 1EQG) melalui redocking ligan alami ibuprofen. Parameter docking dipilih dengan jumlah run 50, grid box 60³Å. Hasil redocking ibuprofen dengan enzim COX-1 yaitu ; Energi Docking = - 10.01 kkal/mol, Konstanta Inhibisi = 2.8 µm dan RMSD = 0.789 Å, residu asam amino yaitu Ala527, Arg120, Gly526, Ile532, Met522, Phe518, Ser353, Try355, Val116, Val349. Ikatan hidrogen (Gambar 3) yang terbentuk antara ibuprofen dengan enzim COX-1 adalah Arg120 dengan jarak 1.601 Å dan 1.705 Å; Tyr355 dengan jarak 1.730 Å.. Tabel 1 Hasil validasi docking ibuprofen dengan enzim COX-1 kode pdb 1EQG. Run Grid (ų) ED (Kkal/mol) Ki (µm) RMSD (Å) 50 60-10,01 2.8 0.789 Residu aa Ala527, Arg120, Gly526, Ile532, Met522, Phe518, Ser353, Try355, Val116, Val349 ED = Energi Docking, Ki = Konstanta inhibisi, RMSD = Root mean square deviation, Residua aa = Residu asam amino 11
Gambar 1 Ikatan hidrogen yang terbentuk antara Ibuprofen dengan enzim COX-1 Pada Tabel 2 merupakan hasil re-docking ligan alami celecoxib (gambar 4) terhadap enzim COX-2( kode pdb 3LN1) dengan parameter terpilih yaitu jumlah run 50, grid box yang digunakan 60³ dengan spasi 0,375 Å, menghasilkan data dengan Energi Docking = -12.96 kkal/mol, Konstanta inhibisi = 14.07 µm, RMSD = 1.008 Å dengan residu asam amino yang berikatan yaitu His75, Arg106, Gln178, Val335, Leu338, Ser339, Try341, Leu345, Leu370, Trp373, Arg499, Ala502, Ile503, Phe504, Met508, Val509, Gly512, Ala513. Ikatan hidrogen (Gambar 4) yang terbentuk pada saat validasi adalah His75 dengan jarak 2,386 Å; Ser339 dengan jarak 3,476 Å; Leu338 dengan jarak 3,986 Å. Tabel 2 Hasil validasi docking celecoxib dengan enzim COX-2 kode pdb 3LN1 Run Grid (ų) ED (Kkal/mol) Ki (µm) RMSD (Å) 50 60-12.96 14.07 1.008 Residu aa His75, Arg106, Gln178, Val335, Leu338, Ser339, Try341, Leu345, Leu370, Trp373, Arg499, Ala502, Ile503, Phe504, Met508, Val509, Gly512, Ala513 12
Gambar 2 Ikatan hidrogen yang terbentuk antara celecoxib dengan COX-2 Setelah dilakukan validasi kantung ikatan melalui re-docking, kemudian dilakukan docking senyawa santorizol pada kantung ikatan enzim COX-1 dan COX2. Hasil docking senyawa uji santorizol terhadap COX-1 (Gambar 5) menunjukkan residu asam amino yang berinteraksi yaitu Val116, Arg120, Val349, Leu352, Ser353, Tyr355, Phe381, Leu384, Tyr385, Trp387, Phe518, Met522, Ile523, Gly526, Ala527, Ser530, Leu531. Sedangkan, ikatan hidrogen terjadi dengan asam amino Arg120 dengan jarak ikatan 2,02 A ⁰, dan Tyr355 dengan jarak ikatan 1,92 A ⁰. Energi Docking = -8.85 kkal/mol, Konstanta inhibisi = 1.63 µm (Tabel 3). Tabel 3 Hasil docking santorizol dengan enzim COX-1 kode pdb 1EQG ED (Kkal/mol) Ki (µm) -8.85 1.63 Residu aa Tyr385, Trp387, Phe518, Met522, Ile523, Gly526, Ala527, Ser530, Leu531 Ikatan hidrogen Arg120 (2.019 A⁰) Tyr355 (1.917A⁰) 13
Gambar 3 Ikatan hidrogen yang terbentuk pada docking senyawa santorizol yang berikatan dengan COX-1 Hasil docking senyawa santorizol terhadap COX-2 (Tabel 4) menunjukkan residu asam amino yang berinteraksi yaitu : His75, Gln178, Val335, Leu338, Ser339, Phe367, Leu370, Tyr371, Trp373, Arg499, Ala502, Ile503, Phe504, Met508, Val509, Gly512, Ala513. Sedangkan ikatan hidrogen (gambar 6) yang terbentuk antara lain Gln178 dengan jarak 2.060 Å; Leu338 dengan jarak 2.065 Å. Energi Docking = -10.11 kkal/mol, Konstanta inhibisi = 0.295 µm (Tabel 8). Tabel 4 Hasil docking santorizol dengan enzim COX-2. ED (Kkal/mol) Ki (µm) -10.11 0.295 Residu aa His75, Gln178, Val335, Leu338, Ser339, Phe367, Leu370, Tyr371, Trp373, Arg499, Ala502, Ile503, Phe504, Met508, Val509, Gly512, Ala513 Ikatan hidrogen Gln178 (2.060 Å). Leu338 (2.065 Å) 14
Gambar 4 Ikatan hidrogen yang terbentuk pada docking senyawa santorizol yang berikatan dengan COX-2 Pembahasan Pada Tabel 1 menunjukkan hasil validasi kantung ikatan enzim COX- 1 (kode pdb : 1EQG) melalui redocking ligan alami ibuprofen. Parameter docking yang dipilih run 50, grid box 60³ dengan spasi 0,375 Å. Hasil docking ibuprofen (Gambar 3) dengan enzim COX-1 yaitu ; Energi Bebas Ikatan = -8.94 kkal/mol, Konstanta Inhibisi = 2.8 µm dan RMSD = 0.789 Å. Ikatan hidrogen (Gambar 3) yang terbentuk antara ibuprofen dengan enzim COX-1 adalah Arg120 dengan jarak 1.601 Å pada atom O dan 1.705 Å pada atom C; Tyr355 dengan jarak 1.730 Å pada atom C. Hasil docking ligan alami celecoxib terhadap enzim COX-2 kode pdb 3LN1 dengan variasi run 50 grid box yang digunakan 60³Å, menghasilkan data dengan Enegi Bebas Ikatan = -10.71 kkal/mol, Konstanta Inhibisi = 14.07 µm, RMSD = 1.008 Å. Ikatan hidrogen (Gambar 4) yang terbentuk pada saat validasi adalah His75 dengan jarak 2.386 Å pada atom N; Ser339 dengan jarak 3.476 Å pada atom N; Leu338 dengan jarak 3.986 Å pada atom N. Hasil docking senyawa uji santorizol terhadap COX-1 menunjukkan residu asam amino Val116, Arg120, Val349, Leu352, Ser353, Tyr355, Phe381, Leu384, Tyr385, Trp387, Phe518, Met522, Ile523, Gly526, Ala527, Ser530, Leu531 dan ikatan hidrogen dengan asam amino Arg120, Tyr355 dengan jarak ikatan 2.02, 1.92 Å dan Energi Bebas Ikatan -7.89 kkal/mol, Konstanta Inhibisi 1.63 µm (Tabel 3). Hasil analisis interaksi santorizol dengan enzim COX-1 menunjukkan bahwa adanya ikatan hidrogen yang kuat antara santorizol dengan kantung ikatan COX-1 tetapi residu asam amino yang berikatan berbeda dengan ibuprofen, interaksi pada ibuprofen didapatkan residu asam amino Ala527, Arg120, Gly526, Ile532, Met522, Phe518, Ser353, Try355, Val116, Val349 pada senyawa santorizol hasil residu asam amino yang didapat adalah Val116, Arg120, Val349, Leu352, Ser353, Tyr355, Phe381, Leu384, Tyr385, 15
Trp387, Phe518, Met522, Ile523, Gly526, Ala527, Ser530, Leu531. Hasil tersebut menunjukkan bahwa santorizol mampu berinteraksi dengan residu asam amino penting pada kantung ikatan COX-1. Meskipun terdapat perbedaan jenis residu asam amino yang berikatan dengan ibuprofen, namun ikatan hidrogen yang terbentuk (gambar 5) antara lain Tyr335 dengan jarak 1.917 Å pada atom O; Arg120 dengan jarak 2.019 Å yang merupakan residu asam amino penting pada sisi aktif enzim COX-1, menunjukkan bahwa senyawa santorizol memiliki aktivitas antiinflamasi dengan menghambat enzim COX-1. Hasil docking senyawa santorizol terhadap COX-2 menunjukkan residu asam amino yang berinteraksi antara lain : His75, Gln178, Val335, Leu338, Ser339, Phe367, Leu370, Tyr371, Trp373, Arg499, Ala502, Ile503, Phe504, Met508, Val509, Gly512, Ala513. Ikatan hidrogen yang terbentuk antara lain dengan Gln178 dengan jarak 2.06 Å; Leu338 dengan jarak 2.07 Å; Energi docking -10.11 kkal/mol, dan Konstanta inhibisi 0.295 µm (Tabel 4). Hasil tersebut menunjukkan bahwa santorizol dapat berikatan dengan residu asam amino penting pada kantung ikatan COX-2 (Leu338) sebagaimana ikatannya dengan celecoxib. Simpulan Santorizol memiliki aktivitas sebagai antiinflamasi yang ditunjukkan dari hasil docking senyawa santorizol terhadap enzim COX-1 dan COX-2. Santorizol dapat berikatan dengan kantung ikatan COX-1 dan COX-2, namun lebih selektiv terhadap COX-2 dengan nilai energi docking yang lebih kecil dibandingkan pada interaksinya terhadap COX-1. Daftar Pustaka 1. Siswandono; Soekardjo, B., 2000. Kimia Medisinal Jilid 1. Pengembangan Obat. Surabaya: Airlangga University Press, 1-28; 313-336. 2. Chol Seung Lim, Da-Qing Jin, Hyejung Mok, Sang Jin Oh, Jung Uk Lee, Jae Kwan Hwang, Ilho Ha, Jung-Soo Han, Antioxidant and antiinflammatory activities of santorizol in hippocampal neurons and primary cultured microglia, J Neurosci Res. 2005 Dec 15;82(6):831-8. 3. McAdam, B.F., Lawson, F.C., Mardini, I.A., Kapoor, S., Lawson, J.A., Fitzgerald, G.A., 1999. Systemic Biosynthesis of Prostacyclin by Cyclooxygenase (COX-2): The Human Pharmacology of Selective Inhibitor of COX-2. Proc Natl Acad Sci, 96(1):272-277. 4. McAdam, B.F., Lawson, F.C., Mardini, I.A., Kapoor, S., Lawson, J.A., Fitzgerald, G.A., 1999. Systemic Biosynthesis of Prostacyclin by Cyclooxygenase (COX-2): The Human Pharmacology of Selective Inhibitor of COX-2. Proc Natl Acad Sci, 96(1):272-277. 5. Rajakariar, R., Yaqoob, M.M., Gilroy, D.W., 2006. COX-2 in 16
Inflammation and Resolution. Mol interv, 6(4):199-207. 6. Zimmermann, K.C., M. Sarbia, K. Schror, A.A. Weber., 1998. Constitutive cyclooxygenase-2 expression in healthy human and rabbit gastric mucosa. Mol Pharmacol, 54(3):536-540. 7. Garrett M. Moris., 5 Nov 2012. User guide AutoDock ver 4.2. Automated Docking of Flexible Ligands to Flexible Receptors : 1-11. 8. Selinsky BS, Gupta K, Sharkey CT, Loll PJ, Structural analysis of NSAID binding by prostaglandin H2 synthase: timedependent and time-independent inhibitors elicit identical enzyme conformations, Biochem, 2001 May 1;40(17):5172-80. 9. Wang JL, Limburg D, Graneto MJ, Springer J, Hamper JR, Liao S, Pawlitz JL, Kurumbail RG, Maziasz T, Talley JJ, Kiefer JR, Carter J, The novel benzopyran class of selective cyclooxygenase-2 inhibitors. Part 2: the second clinical candidate having a shorter and favorable human half-life. Boorg. Med. Chem. Lett. 2010, (20): 7159-71632010 17