Dadan Suryasaputra, M.Si.,Apt.

Siswandono & Soekarjo, B – Kimia Medisinal

G.L.Patrick – an introdction to meicinal chemistry

Foyes_Principles_of_Medicinal_Chemistry

Banyak senyawa kimia dgn struktur berbeda tetapi mempunyai sifat fisik yg sama: eter, kloroform, nitrogen oksida, dpt menimbulkan efek narkosis (anestesi sistemik).

Ini menunnjukkan bhw sifat fisika lbh bperan dbandingkan sifat kimia. Dr percobaan diketahui bahwa efek anestesi akan segera terjadi & dipertahankan pd tingkat yg sama asalkan ada cadangan obat dlm cairan tubuh.

Jika cadangan habis maka efek anestesi sgr b’akhir. Ini menunjukkan bhw ada keseimbangan kdr obat pd fase eksternal (cairan luar sel) & biofase (reseptor)

Pd banyak senyawa seri homolog aktivitas akan meningkat ­sesuai dgn ­ jml atom C.

Fuhner (1904): utk mcapai aktivitas sama, anggota seri homolog yg lbh tinggi memerlukan kadar lbh rdh sesuai persamaan deret ukur:

1/31, 1/32, 1/33, 1/34, ……. 1/3n

Cth: seri homolog O penekan SSP: trn alkohol, keton, amin, ester, uretan, hidrokarbon.

Perubahan sifat fisika ttt dr suatu seri homolog: tek uap, kelarutan dlm air, teg permukaan & distribusi dlm pelarut yg saling tdk campur, terkadang sesuai dgn persamaan deret ukur.

Nilai log sifat-sifat fisik n-alkohol primer jika dihubungkan dgn jml atom C ternyata memberikan hubungan yg linier.

Sifat Fisika secara umum melibatkan distribusi pd bbrp macam fase.

Contoh:

a. kelarutan, melibatkan distribusi antara padatan atau cairan & larutan jenuhnya.

b. Tegangan permukaan, melibatkan distribusi antara larutan & permukaan.

c. Tekanan uap, melibatkan distribusi antara cairan & uap.

Mnurut Ferguson, kadar molar toksik sangat ditentukan oleh keseimbangan distribusi pada fase-fase yg heterogen, yaitu fase eksternal, yg kdr seny dpt diukur, dan biofase.

Ferguson menyatakan bahwa sebenarnya tidak perlu menentukan kadar obat dlm biofase (reseptor) krn pd keadaan kesetimbangan kecenderungan obat utk meninggalkan biofase & fase eksternal adalah sama, walaupun kdr obat dlm tiap fase berbeda.

Kecenderungan obat utk meninggalkan fase disebut aktivitas termodinamik.

Utk menjelaskan kecenderungan obat dlm meninggalkan biofase & fase eksternal, derajat kejenuhan masing-masing fase merupakan pendekatan yg cukup beralasan.

Perubahan log koef distribusi (log K) melibatkan sft-sft di atas, hub tsb dinyatakan melalui persamaan sbb:

Log K = (F2º - F1º) / RT

Dimana : F2º - F1º = pbedaan parsial molal energi bebas seny dlm keadaan baku, pd fase 1 dan fase 2

Pd seny seri homolog, tiap pnambahanan gugus CH2 akan mberikan penambahan yg tetap pd nilai (F2º -F1º).

Cth hubungan aktivitas biologis obat dgn aktivitas termodinamik:

1. Seri homolog n-alkohol primer, kadar antibakteri thd Bacillus typhosus bvariasi antara0,0034 – 10,8 mol/L, sdg aktivitastermodinamiknya berkisar antara 0,33 – 0,88

2. Obat penekan SSP yg berupa gas atau uap: nitrogen oksida, etil klorida, kloroform, asetilen, dietil formaldehid & eter, kadar isonarkotik bervariasi antara 0,5 – 100%, sdg aktivitas termodinamiknya berkisar antara 0,01 – 0,07.

Berdasarkan model kerja farmakologinya, secara umum Obat dibagi mjadi dua golongan, yaitu:

1. Senyawa berstruktur tidak khas : Obat anestesi sistemik & Insektisida

2. Senyawa berstruktur khas : O antikanker, antimalaria, antibiotika, adrenergik, antihistamin, diuretika

Senyawa berstruktur tidak khas :

• Seny berstruktur tdk khas adl senyawa dgnstruktur kimia bervariasi, tdk berinteraksi dgn reseptor khas & aktivitas biologisnya tdk secara langsung dipengaruhi oleh strukturkimia tetapi lebih dipengaruhi oleh SifatFisika-Kimia: derajat ionisasi, kelaruta, aktivitas termodinamik, tegangan permukaan & potensial redoks.

• Terlihat bhw efek biologis terjadi karenaterkumpulnya obat pd daerah penting dr sel shg menyebabkan ketidakteraturan rantai proses metabolisme

2. Senyawa berstruktur khas• Senyawa berstruktur khas adl senyawa yg mberikan efek dgn mengikat reseptor atau aseptor yg khas• Mekanisme kerjanya dpt melalui salah satu cara :a. Bekerja pd enzim, yaitu dgn cara pengaktifan,

penghambatan atau pengaktifan kembali enzim-enzim tbh

b. Bekerja sbg antagonis, secara antagonis kimia,fungsional, farmakologis atau antagonis metabolik

c. Menekan fungsi gen, yaitu dgn menghambat biosintesis asam nukleat atau sintesis protein

d. Bekerja pd membran, yaitu dgn mengubah membran sel & mempengaruhi sistem pengangkutan membran sel

Senyawa berstruktur khas mempunyai karakeristik sbb:

a. Efektif pd kadar rendah

b. Melibatkan kesetimbangan kdr obat dlm biofase & fase eksternal

c. Melibatkan ikatan kimia yg lbh kuat dibandingkanikatan pada senyawa yg berstruktur tdk khas

d. Pd keadaan kestimbangan aktivitas biologis maksimal

e. Sifat fisikokimia sama berperan dlm menentukan efek biologis

f. Secara umum mempunyai struktur dasar karakteristik yg bertanggungjawab thd efek biologis senyawa analog

g. Sedikit perubahan struktur dpt mempengaruhi sec aradrastis aktivitas biologi Obat

Cth Obat bstruktur khas : Obat antikanker, antimalaria,

antibiotika, adrenergik, antihistamin.

• Schunack et al., (1990) inti dari suatupenelitian senyawa obat adalahpengembangan zat aktif baru untukmenyembuhkan penyakit yang denganterapi obat sampai saat ini tidak ataubelum berjalan seperti yang diharapkan, atau untuk mengurangiresiko terapeutik jika dibandingkandengan obat lama.

• Schunack et al., (1990) jenis dan intensitashubungan antaraksi antara senyawa obat dansistem biologik sangat ditentukan oleh sifatfisika dan kimia molekul obat. Sifat ini adalahhasil dari jenis dan jumlah serta ikatan antaratom dan susunan ruang atom yang membentuk molekulnya.

• (Wolff, 1994) : mempelajari suatu senyawaaktif yang diketahui perubahan strukturnyadpt mempengaruhi perubahan aktivitasbiologinya = Structure Activity Relationship (SAR) atau Hubungan Struktur Aktivitas(HSA). kimia komputasi

Dalam mempelajari aktivitas suatu obatdengan metode Quantitative Structure Activity Relationship (QSAR) atau HubunganKuantitatif Struktur Aktivitas (HKSA), diperlukan parameter-parameter fisika kimiatertentu yang berkaitan, sehingga dapatdigunakan untuk memprediksi molekul obatbaru yang lebih potensial.

Interaksi obat – reseptor ditentukan oleh parameter fisikokimia obat itu : hidrofobik, efek elektronik, dan efek sterik

Semua sifat fisikokimia obat ditentukan oleh susunan atom, bentuk, dan ukuran molekul obat dengan perkataan lain, oleh struktur kimianya.

Karena parameter fisikokimia ini dapat diukur dan dinyatakan secara kuantitatif, maka gaya ikatan antarmolekul sebagai fungsi struktur mestinya juga mempunyai nilai dengan angka.

Hubungan kuantitatif antara aktivitas biologisdan parameter yang menggambarkanperubahan sifat kimia fisika, yaitu parameter hidrofobik (π), elektronik (σ) dan sterik (Es), pada suatu seri molekul, mulaidikembangkan secara lebih intensif.

Hubungan atau korelasi yang baik digunakanuntuk menunjang interaksi obat-reseptor danmeramalkan jalur sintesis obat yang lebihmenguntungkan.

Crum, Brown dan Fraser (1869) : konsepbahwa aktivitas biologis suatu senyawaberhubungan dengan struktur kimia.

Aktivitas biologis beberapa alkaloid alam ygmengandung gugus amonium tersier akanberubah atau hilang bila direaksikan dgnmetil iodida, melalui reaksi metilasi, membentuk amonium kuartener.

Postulat : Efek biologis suatu senyawamerupakan fungsi dari strukturnya

Overton (1897) dan Meyer (1899) : efekanestesi beberapa senyawa yg mempunyaistruktur kimia bervariasi, berhubungan dgnnilai koefisiensi partisi lemak/air.

Ferguson (1939) : aktivitas bakterisid turunanfenol mempunyai hubungan linear dgnkelarutan dlm air dan memberikan postulatbahwa aktivitas biologis obat yg berstrukturtdk khas tergantung pd aktivitastermodinamik.

Ci = k.Aim

Ci = kadar dr sejumlah i anggota seri yg menghasilkanrespon sama

k, m = tetapan sistem

Ai = tetapan parameter fisikokimia (klarutan, koef.partisi, tekana uap dan jmlh atom C pd rantai samping)

Corwin Hansch dkk (1963) : menghubungkanstruktur kimia dan aktivitas biologis obatmelalui sifat-sifat fisikokimia umum : kelarutan dlm lemak (lipofilik), derajationisasi (elektronik) atau ukuran molekul obat(sterik).

Hubungan kuantitatif antara aktivitas biologisdan parameter yg menggambarkanperubahan sifat fisikokimia {hidrofobik (π), elektronik (σ) dan sterik (Es)} pd suatu serimolekul mulai dikembangkan lbh intensif.

Hubungan kuantitatif struktur dan aktivitasbiologis obat (HKSA) / Quantitative Structure Activity Relationship (QSAR) merupakan bagianpenting rancangan obat, dalam usahamendapatkan suatu obat baru dengan:

a) aktivitas yang lebih besar, b) keselektifan yang lebih tinggi, c) toksisitas atau efek samping sekecil mungkind) kenyamanan yang lebih besare) lebih banyak menghemat biaya atau lebih

ekonomis, karena untuk mendapatkan obatbaru dengan aktivitas yang dikehendaki, faktor coba-coba ditekan sekecil mungkinsehingga jalur sintesis menjadi lebih pendek.

Hubungan atau korelasi dlm HKSA digunakanuntuk menunjang interaksi obat-reseptor danmeramalkan jalur sintesis obat yang lebihmenguntungkan.

A QSAR is a mathematical relationship between a biological activity of a molecular system and its geometric and chemical characteristics.

QSAR attempts to find consistent relationship between biological activity and molecular properties, so that these “rules” can be used to evaluate the activity of new compounds.

Input: n descriptors P1,..Pn and the value of biological activity (EC50 for example) for m compounds.

Pn...P2P1Bio

3.70.7Cpd1

0.43.2Cpd2

…

Cpdm

The problem of QSAR is to find coefficients C0,C1,...Cn such that:

Biological activity = C0+(C1*P1)+...+(Cn*Pn)

and the prediction error is minimized for a list of given m compounds.

Partial least squares (PLS) is a technique used for computation of the coefficients of structural descriptors.

The effect is produced by modeled compound and not it’s metabolites.The proposed conformation is the bioactive one.The binding site is the same for all modeled compounds.The biological activity is largely explained by enthalpic processes.Entropic terms are similar for all the compounds.The system is considered to be at equilibrium, and kinetics aspects are usually not considered.Pharmacokinetics: solvent effects, diffusion, transport are not included.

Ada beberapa model pendekatan hubungan kuantitatif struktur-aktivitas :

pendekatan HKSA de novo Free-Wilson

pendekatan HKSA LFER Hansch

Free dan Wilson (1964) : model de novo ataumodel matematik Free-Wilson

de novo : is a Latin phrase, meaning "from the new," "anew," "from scratch," or "from the beginning.“

De novo synthesis : the synthesis of complex molecules from simple molecules

Respons biologis merupakan sumbanganaktivitas dari gugus-gugus subtituenterhadap aktivitas biologis senyawa induk.

Log 1/C = ∑ S + µ (1)

Ket : Log 1/C : logaritma aktivitas biologis

∑ S : total sumbangan substituen terhadap aktivitas biologis senyawa induk

µ : aktivitas biologis senyawa induk

Pada substitusi bermacam-macam gugus pada daerah atau zona yang berbeda dalam struktur senyawa induk, maka :

Log 1/C = ∑ An . Bn + µ (2)

Ket : ∑ An . Bn : total sumbangan aktivitas dari n substituen dalam n zona terhadap aktivitas senyawa induk.

Jumlah senyawa yang disintesis merupakan hasil kali jumlah substituen pada tiap-tiap zona dari senyawa induk.

Contohnya suatu turunan senyawa induk akan dilakukan modifikasi struktur pada 3 daerah kedudukan (zona) dengan memasukkan 3 macam substituen, maka dimingkinkan sintesis sebanyak 3 x 3 x 3 = 27 senyawa. Jumlah minimal senyawa yang disintesis (N) untuk dapat dianalisis dengan model Free-Wilson dinyatakan melalui persamaan sebagai berikut :

N = 1 + ∑j (ni-1)Ket : j : jumlah kedudukan substituen (zona)

ni : jumlah substituen pada kedudukan i.

Untuk menghitung sumbangan tiap-tiapgugus terhadap aktivitas biologis strukturinduk, digunakan perhitungan statistikcaramatriks dengan bantuan komputer.

Dari perhitungan tersebut akan didapatgugus-gugus yang memberikan sumbanganoptimal thd aktivitas biologis struktur induk.

(H)R = sumbangan aktivitas atom H pd posisiR thd aktivitas senyawa induk

(NO2)x =sumbangan aktivitas gugus NO2 pdposisi X thd aktivitas senyawa induk

(NO2)y =sumbangan aktivitas gugus NO2 pdposisi Y thd aktivitas senyawa induk

μ = aktivitas biologis senyawa induk

60 dst = hasil uji respon biologis senyawa

Dari 10 persamaan diatas, ada 9 nilai yg tdkdiketahui dihitung dgn statistik rumit(komputer)

Dari percobaan ini dpt disimpulkan :

Senyawa 4 mempunyai aktivitas antibakteriyang paling tinggi (525)

Subtitusi gugus Cl pd posisi X dan gugus -NH2 pd posisi Y mempunyai sumbanganaktivitas terbesar (84 + 123)

Pemasukan gugus -CH3 pd posisi R akanmenurunkan aktivitas (-113)

Pemasukkan gugus -NO2 pd posisi Y akanmenurunkan aktivitas (-218)

Metode de novo ini kurang berkembang karena :

a) tidak dapat digunakan bila efek subtituen bersifat tidak linier

b) bila ada interaksi antar subtituen

c) model ini memerlukan banyak senyawa dengan kombinasi substituen yang bervariasi untuk dapat menarik kesimpulan yang benar.

Keuntungan :

a) karena dapat menghubungkan secara kuantitatif antara struktur kimia dan aktivitas biologis dari turunan senyawa dengan bermacam-macam gugus substitusi pada berbagai zona.

b) Dpt digunakan bila tidak ada data tetapan fisika dari senyawa-senyawa yang diteliti dan uji aktivitas lebih lambat dibanding dengan sintesis turunan senyawa.

Hansch (1963) : hubungan struktur kimia dengan aktivitas biologis (log 1/C) suatu turunan senyawa dapat dinyatakan secara kuantitatif melalui parameter-parameter sifat kimia fisika dari substituen yaitu parameter hidrofobik (π), elektronik (σ), dan sterik (Es).

Model pendekatan ini disebut pula model hubungan energi bebas linier (linear free energy relationship = LFER) atau pendekatan ekstratermodinamik.

1. Parameter Sifat Kimia Fisika dalam HKSA Model Hansch

parameter-parameter sifat kimia fisika yang digunakkan dlm HKSA model Hansch yaitu parameter hidrofobik (π), elektronik (σ), dan sterik (Es).

Pada proses distribusi atau pengangkutan obat, penembusan membran biologis sangat dipengaruhi oleh sifat kelarutan obat dalam lemak/air, suasana pH dan derajat ionisasi (pKa) sehingga dalam hubungan kuantitatif struktur dan aktivitas, parameter sifat kimia fisika yang sering dilibatkan adalah parameter hidrofobik (π) dan elektronik (σ) .

Pada proses distribusi obat pengaruh sifat hidrofobik (π) pada umumnya >>> sifat elektronik(σ) .

Untuk menimbulkan aktivitas biologis, molekulobat harus melalui proses-proses berikut:

a. Proses “perjalanan acak” (random walk), yaitumulai saatobat diberikan, kemudian menembusbeberapa membran biologis hingga sampai ketempat aksi obat. Proses ini berhubungan dengankoefisien partisi (P), yang dinyatakan secaramatematik sebagai fungsi P atau f (P).

b. Pengikatan obat pada tempat reseptor, yang dinyatakan secara matematik sebagai Kx. Proses initergantung pada:

1) Ukuran molekul obat, termasuk stereokimiadarigugus/molekul.

2) Densitas elektron dari gugus/subtituen yang terikat.

Proses interaksi obat-reseptor sangat dipengaruhi oleh ikatan kimia, kerapatan elektron, ukuran molekul dan efek stereokimia.

Dalam hubungan struktur dan aktivitas, ketiga parameter sifat kimia fisika di atas ikut dilibatkan, terutama parameter elektronik dan sterik.

2. Analisa statistik dm HKSA model Hansch

c) Kriteria statistik : r, r2, F, t, s.

r : koefisien korelasi : menunjukkan tingkathubungan antara data aktivitas biologis daripengamatan percobaan dgn data hasilperhitungan b’dasarkan persmn yg dperolehdr analisis regresi. r > 0,9.

r2 : berapa persen aktivitas biologis yg dptdijelaskan hubungannya dgn parameter sifafisikokimia yg digunakan. r2 = r2 x 100%.

F : kemaknaan hubungan bila dibandingkan dg nilai F tabel indikatr bilangan utkmenunjukkan bahwa hubungan (yg dinyatakanoleh persamaan) adl benar atau merupakankejadian kebetulan. F hitung > F tabel = makinbesar derajat kemaknaan hubungan, F >> semakin kecil kemungkinan hubungan tsbadalah karena kebetulan.

t : perbedaan nilai koeffisien regresi a, b, c, d dari persamaan regresi bila dibandingkan dgntabel t

s : simpangan baku menunjukkan nilai variasikesalahan dlm percobaan.

Alasan menggunakan Logaritma pd responbiologis termodinamika.

Energi bebas yg diberikan suatu molekul merupakan jumlah energi bebas dari gugus-gugus subtituen.

Contoh : kelebihan ebergi dr ionisasi asamp-metilbenzoat thd asam benzoat = sumbangan dr gugus p-metil.

Persamaan2 seperti ini hubungan energibebas yg linier (LFER) alasan logismengapa dlm HSA harus digunakanlogaritma.

Toplis (1974) mengembangkan petunjuk non matematik, non statistik dan non komputerdgndasar prinsip pendekatan hubungan struktur danaktivitas model Hansch dlm memodifikasimolekul struktur induk yg sudah diketahuiaktivitasnya.

Menurut Topliss : memasukkan gugus-gugus ygmempunyai sifat lipofil, elektronik dan steriktertentu, pd posisi tertentu suatu struktur induk, dgn ramalan akan menghasilkan senyawa ygmemberikan aktivitas lebih tinggi, sama ataulebih rendah dibanding senyawa induk jalursintesis yg paling menguntungkan.

Modifikasi struktur pd cincin aromatik

Dasar modifikasi : struktur induk yg telahdiketemukan pd umumnya mengandungcincin benzen yg tdk digabungkan 40% molekul organik dan 50% paten.

Modifikasi rantai samping gugus alkil

Modifikasi pd rantai gugus alkil ygkmungkinan terdapat pd senyawa ester, keton, amin dan amida.

Modifikasi struktur pd cincin aromatik : ygdiperhatikan adalah lipofilisitas {(-)π, (+)π} dan elektronik {(-)σ, (+)σ}

H

Turunan pertama subtitusi dgn 4-Cl ujiaktivitas apakah lebih tinggi, sama atau lebihrendah dr senyawa induk.

Atom Cl : nilai π,σ (+) peningkatan aktivitasdisebabkan oleh sifat lipofilisitas dan elektronik tahap berikutnya meningkatkan kedua sifatini.

Bila turunan kedua aktivitasnya lebih tinggi meningkatkan kedua sifat π,σ.

Bila turunan kedua aktivitasnya sama atau lebihrendah pengaruh efek sterik pd posisi 3 ygtdk menguntungkan atau nilai π,σ sdh optimum turunan dgn nilai π sedang, dan σ tinggi.

subtitusi dgn 4-Cl aktivitas lebih rendah drsenyawa induk efek sterik subtitusi pdpoisi orto atau meta.

Atau perlu subtitusi pd posisi para dgn gugusyang nilai π,σ (-) misal 4-OCH3.

Bila turunan ini aktivitasnya lebih besar dibuat turunan dgn nilai σ (-) :{4-N(CH3)2}

Bila aktivitas turunan ini sama atau lebihrendah, dibuat turunan yg nilai π (-) misalturunan 4-NH2 atau 4-OH. Bila hasilnya lebihrendah disintesis turunan dgn nilai π (+), dan σ (-) {3-CH3, 4-OCH3, 4-OCH(CH3)2.

subtitusi dgn 4-Cl aktivitas sama dgnsenyawa induk efek π (+) ygmenguntungkan diimbangi efek σ (-) yg tdkmenguntungkan 4-Cl diganti dgn 4-CH3 ygπ (+) dan σ (-)

Bila turunan ini aktivitasnya lebih besar dibuat turunan dgn subtitusi 3-CF3, 3,5-dikloro dan 3-NO2

Bila aktivitas turunan ini sama atau lebihrendah, dibuat turunan 3-CH3. Bilahasilnya lebih rendah disintesis turunandgn 2 subtitusi : 2-Cl, 2-CH3, 2-OCH3.

Kemungkinan subtitusi terakhir sintesisturunan 4-F yg punya pengaruh π dan σminimal dan sukar dimetabolisme tubuh.

Modifikasi rantai samping gugus alkil

Modifikasi pd rantai gugus alkil ygkemungkinan terdapat pd senyawa ester, keton, amin dan amida.

Perubahan aktivitas dipengaruhi olehlipofilisitas(π), elektronik (σ*) dan sterik (Es) subtituen.

Prinsip : sama dgn modifikasi cincin aromatik

K S L

Contoh penerapan HKSA model Hansch

a) Hubungan struktur dan aktivitas turunankloramfenikol

b) Hubungan struktur dan aktivitas obatpenekan SSP

c) Hubungan struktur dan aktivitas turunanfenol

d) Hubungan struktur dan aktivitas turunanasam benzen boronat

Hansch dkk (1963) melakukan penelitianhubungan struktur dan aktivitas antibakterithd Staphylcoccus aureus pd turunankloramfenikol

Melalui perhitungan statistik analisis regresi non linier, dengan bantuan komputer (misalnya dengan menggunakan program QSAR, STATGRAPHIC atau SPSS), dari data sbb, didapat :

b) Hubungan struktur dan aktivitas obat penekanSSP

Bila gugus 1 dan 2 digabungkan, diusahakandidapat nilai log P (Σπ) ± 2,shg diharapkansenyawa tsb mempunyai efek penekan SSP ygmendekati ideal.

c) Hubungan struktur dan aktivitas turunanfenol

d) Hubungan struktur dan aktivitas turunan asambenzen boronat

Dalam HKSA, model hansch lebih berkembang dan lebih banyak digunakan dibandingkan model de novo Free-Wilson 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.

Metode lain untuk mempelajari HKSA :

- Metoda Pengenalan pola (Pattern Recognition) : Kowalski dan Bender 1972

- Metoda Analisis Kluster : Hansch dkk 1973

- Model Kimia Kuantum dgn menggunakanpersamaan Schrodinger

Terima kasih