PENDEKATAN HUBUNGAN STRUKTUR-AKTIVITAS

DALAMPengembangan Obat

Dr. Islamudin Ahmad, M.Si., Apt.

• Aktivitas biologis suatu obat diperoleh setelahterjadi interaksi senyawa dengan molekulspesifik dalam obyek biologis.

• Interaksi tersebut ditunjang dengan spesifitassifat kimia fisika senyawa yang tinggi.

• Aktivitas obat berhubungan dengan dengansifat kimia fisika obat, dan merupakan fungsidari struktur molekul obat.

• Hubungan struktur kimia dan aktivitasbiologis yang tidak baik dapat disebabkan olehkurang baiknya metode penelitian yang digunakan.

• Pengetahuan tentang hubungan struktur kimiadan aktivitas biologis merupakan dasarpenting dari penggunaan rancangan obat.

1. Faktor yang Kurang Mendukung Hubungan Struktur-Aktivitas

a. Perbedaan keadaan pengukuran prameter kimiafisika dan aktivitas biologis.▪ Contoh : Komformasi molekul obot mungkin

tergantung pada pH dan komposisi ion darimediun di mana obat tersebut diteliti.

Dalam hal ini harus hati-hati karena medium dimana obat bekerja dalam sistem biologi (in vivo)kemungkinan sangat berbeda dengan medium yang digunakan dalam studi sifat kimia fisika (in vitro).

b. Senyawa yang digunakan ternyata bentuk pra-obat, yang terlebih dulu harus mengalamibioaktivitas menjadi metabolit aktif.

c. Aktivitas obat dipengaruhi oleh banyak keadaanin vivo, seperti distribusi obat yang melibatkanproses transpor, pengikatan oleh protein,proses metabolisme yaitu bioaktivitas danbiodegradasi, serta proses ekskresi. Untukmenimbulkan efek, obat harus dapat mencapaijaringan target dalam bentuk aktifnyadengankadar yang cukup, dan dapat berinteraksisecara serasi dengan resptor. Interaksiobatdengan reseptor spesifik memerlukanstruktur molekul obat yang spesifik, terutamadistribusi muatan dan sifat steriknya.

d. Senyawa pempunyai pusat atom arimetris,sehingga kemungkinan merupakancampuran rasemat, dan masing-masingisomer mempunyai derajat aktivitas yangberbeda. Kadang-kadang satu isomerbersifat agonis sedang isomer yang lainbersifat antagonis kompetitif.

e. Senyawa mempunyai aktivitas biologis yangmirip dengan senyawa lain tetapi berbedamekanisme aksinya.

▪ Contoh : Aktivitas relaksan otot darikurare dan magnesium. Kurare bekerjadengan memblok tempat aksiasetilkolin pada perhubungan sarafotot, sedang magnesium menghambatpelepasan asetilkolin diujung saraf.Oleh karena berbeda mekanismeaksinya maka kedua senyawa diatastidak dapat dibandingkan hubunganstruktur-aktivitasnya.

f. Pengaruh bentuk persediaam terhadapaktivitas.

Formulasi farmasetik dapat menyebabkankegagalan studi hubungan struktur-aktivitas.Faktor seperti ukuran partikel dan bentukkristal obat dalam sediaan farmasikemungkinan dapat mempengaruhi potensiobat.

▪Contoh : Monobiosin bentuk amorf lebihcepat melarut dibanding bentuk kristalnya,sehingga mempengaruhi potensi obat.

g. Obat bersifat multipoten

Struktur kimia yang diperlukan untukmenimbulkanaktivitas biologis yangberbeda mungkin serupa atau tumpangtindih, sedikit atau banyak, dan hal ini padaumumnya terdapat pada senyawamultipoten.

▪Contoh : Turunan fenotiazin tertentu,seperti prometazin, mempunyai aktivitasyang simultan, yaitu efek antihistamin,antikolinergik dan pemblok α-adrenergik(Gambar 72).

h. Perbedaan spesies, terutama obat yang memberikanperbedaan aktivitas yang besar oleh adanyaperbedaan spesies. Perbedaan ini pada umumnyaterjadi pada obat bersifat lipofilik yang kemungkinandisebabkan oleh perbedaan proses perubahanmetabolik (osidatif atau hidrolitik) di hati dan prosesekseresi obat di ginjal.

▪ Contoh : Amfetamin pada manusia akanmengalami deaminasi oksidatif, sedang pada tikusmengalami hidroksilasi aromatik.

Untuk obat yang sangat mudah larut dalam air atauyang sangat mudah terionisasi, seperti kurare danheksametonium, tidak ada pengaruh perbedaanspesies.

2. faktor-faktor yang Mendukung HubunganStruktur-Aktivitas.

a. Hubungan struktur-aktivitas empiris yangsifatnya insidentil.Untuk obat tertentu hukum empires yangdiperlukan untuk terjdiya aktivitas biologisdapat digunakan untuk membuat turunanobat berdasarkan data percobaan yangtersedia.

▪Contoh: turunan morfin, mempunyaikarakteristik struktur yang diperlukanuntuk aktivitas analgesik sebagai berikut :

1) Pusat atom C yang tersubtitusi dantidak mengandung atom H atau atom Ckuarterner,

2) Gugus fenil atau gugus aromatik lainyang berhubungan, yang mengikatatom C kuarterner,

3) Gugus amino tersier yang mengikatgugus alkil kecil, seperti : metil,

4) Rantai dari dua atom C, yang terletakantar pusat atom C kuarterner dengangugus amino tersier.

Berdasarkan karakteristik struktur di atas,distensis senyawa narkotik analgesik lainseperti turunan meperidin (petidin) danmetadon.

b. Struktur Obat SimetrikBeberapa tipe tertentu obat, seperti senyawapengalkilasi anti kanker, obat kurariform dan obatpemblok ganglionik, ada yang mengandung dua gugussimetrik yang berhubungan, dan mungkin diperlukan untuk aktivitas atau mempunyai keuntungan tertentu.Jarak antara gugus fungsi identik dalam molekul obatmungkin diperlukan untuk mendapatkan aktivitas yang optimal. Hal ini menunjukkan bahwa reseptormempunya dua sisi aktif pada jarak yang tertentu. Jarak yang optimum kemungkinan berhubungandengan sifat hidrofil dan lipofil yang optimum.Contoh struktur obat simetrik : Salisil salisilat (duamolekul salisilat), dan Metazid (dua molekul izoniaziddigabungkan melalui jembatan metilen)

3. Hubungan Struktur-Aktivitas yang Sebenarnya

– Aktivitas biologis merupakan refleksi sifat kimiafisika dari senyawa bioaktif, sehingga hubunganstruktur-aktivitas seharusnya ada hukum tertentu.

– Contoh pada seri homolog sederhana R(CH2)nCH3 dan R(CH2)nR’, lipofilitas atau kemampuan untukmembentuk ikatan hidrofob berubah secarateratur sesuai dengan jumlah n.

– Untuk dapat menimbulkan efek biologis, senyawaharus mempunyai derajat kesesuaian yang tinggidengan reseptor.

– Senyawa-senyawa dengan aktivitas biologis sama, pada umumnya bekerja melalui reseptor yang sama dan harus sesuai dengan reseptor

– Hubungan struktur –aktivitas mungkin dapatdiperkirakan antara gugus-gugus senyawa agonisyang mempunyai mekanisme kerja atau tempat aksiyang sama, juga antara gugus-gugus senyawaantagonis yang memblok reseptor yang sama.

– Prekursor (bahan awal) akan mengalami perubahanenzimatik, melalui sejumlah tahapan, menjadi obataktif.

– Prekursor, senyawa antara, dan obat aktif, padaumumnya mempunyai persamaan kimia.

– Sebagai konsekuensi bahan-bahan tersebut dapatmengganggu atau berlaku sebagai kompetitor padaberbagai tahap dari jalur reaksi biokimia tetapiumumnya senyawa antara mempunyai tempat aksiyang berbeda dengan bahan aktif.

– Aspek utama hubungan struktur-aktivitas secaraumum didapatkan antar senyawa dengan pusatasimetri yaitu diasteroisomer dan antar senyawaenansiomer yang mempunyai sifat kimia fisikayang sangat mirip.

– Enansiomer berhubungan erat dengan sifat kimiafisika.

– Mereka hanya berbeda sifat steriknya, tetapimempunyai sifat lipofil, polaritas dan distribusimuatan yang sama

– Perbandingan aktivitas enansiomer dengancampuran rasematnya menunjukkan hubunganyang khas.

a. Hubungan Sifat kimia Fisika dan aktivitas

• Perubahan struktur dalam hal tertentutidak mengubah aktivitas obat pada uji in vitro

• hal ini terjadi bila gugus tersebutmerupakan gugus nonkritik dan bukangugus fungsi.

• Gugus yang besar dan bersifat nonpolarpada molekul obat dapat ditoleransiasalkan tidak mengganggu interaksi obat-reseptor.

• Gugus yang besar tersebut meningkatkan sifatlipofilitas dan kemampuan pembentukanikatan hidrofob, sehingga mempengaruhipotensi obat

b. Hubungan struktur kimia dan aktivitasbiologis obat dengan tempat aksi yang sama.

• Hubungan langsung antara struktur denganaktivitas berdasarkan interaksi gugus-gugussenyawa-senyawa agonis pada tempat aksiyang sama.

– Contoh : obat-obat agonis α-adrenergik, β-adrenergik, parasimpatomimetik ataumuskarinik, perangsang ganglionik atau nikotinik, histaminergik, viyamin dan analognya, sertahormon

– Hubungan struktur dengan aktivitas berdasarkanpada interaksi senyawa antagonis dan senyawaagonis pada tempat aksi yang sama sehinggamenghasilkan hambatan kompetitif atauantagonis kompetitif.

• Senyawa pemblok α-adrenergik, antihistamin danantikolinergik

– Obat-obat segolongan aktivitas farmakologinya

Banyak tipe tertentu obat dengan struktur kimiatertentu mempunyai mekanisme kerja yang sama, tetapi ada pula senyawa yang berbeda strukturkemungkinan juga mempunyai mekanisme kerjayang sama

• Gugus sulfonilurea pada antidiabetes oral danbarbiturat pada sedatif-hipnotik

c. Hubungan struktur-aktivitas tak langsung

• Hubungan stuktur aktivitas dapat terjadi padasenyawa-senyawa yang berbeda tempat aksinya.

• Bermacam-macam senyawa kemungkinan dapatberpengaruh pada tempat atau tahap yang berbedadalam rangkaian konversi enzim pada prosesbiosintesis atau biodegradasi.

• Senyawa antara pada rangkaian konversi enzim padaumumnya mempunyai struktur kimia yang masihberhubungan erat dengan obat aktif.– Contoh : pada biosintesis katekolamin, prekursor,

senyawa antara, obat aktif semuanya merupakanturunan feniletilamin. Turunan feniletilamin sintetikdapat mempengaruhi sintesis katekolamin pada tahap-tahap yang berbeda.

d. Hubungan struktur-aktivitas untuk stereoisomer1. Pada campuran rasemik perbandingan aktivitas

(potensi) isomer-isomer kemungkinan berbedaspektrum aktivitasnya.

2. Hubungan antara perbandingan aktivitas pasanganstereoisomer dan aktivitas dari isomer yang lebih aktifdari pasangannya

3. Aktivitas campuran isomer optis dibandingkan denganaktivitas satu isomer murni.Campuran dari isomer optis mungkin terdiri daricampuran :a. Senyawa aktif dan tidak aktifb. Dua senyawa yang berbeda aktivitas atau

potensinyac. Senyawa agonis dan antagonis kompetitifd. Senyawa agonis dan parsial agonis.

PENGUKURAN KUANTITATIF AKTIVITAS BIOLOGIS

• Efek individu, dengan mengukur dosis efektifindividu terhadap hewan coba. Contoh: pemberian obat hipnotik dengan dosisditingkatkan secara bertahap sampai terjadi efektertidur.

• Efek bertingkat, yaitu mengukur efek obatterhadap tiap-tiap hewan coba dalam satukelompok uji, dengan dosis yang bervariasi. Contoh : pemberian obat anabolik dengan dosisyang bervariasi dan dilihat efeknya terhadapkenaikan berat badan hewan coba

• Efek kuantal, yaitu mengukur respon “semua atau tidaksama sekali” (all or none = respons kuantal) dari suatukelompok hewan coba, dengan menentukan persenrespons.

Disini pengamatan hanyalah mengenai masalah terjadiatau tidak terjadinya efek pada hewan coba, sepertihewan yang mati atau yang menunjukkan gejalarespons tertentu misal gejala hiperglikemik.

Contoh : menentukan dosis efektif median (ED50) dandosis letal median (LD50) dari suatu obat terhadapkelompok hewan coba.

HUBUNGAN STRUKTUR –AKTRIVITAS: PENDEKATAN BASIS

DATA

• Keberadaan database adalah syarat utama dalam RancanganObat Berbasis Komputer.

• Database merupakan kumpulan data yang diatur sedemikianrupa untuk memudahkan penggunanya.

• Database dalam bioinformatika meliputi data sekuen DNA atau protein yang diperoleh melalui percobaan laboratoriumyang kemudian disimpan dalam berkas komputer.

• Setiap berkas sekuen berisi informasi mengenai asalorganisme, sekuens, dan nomor akses yang digunakan untuk mengidentifikasi sekuens tersebut.

• Selain struktur sekuens, makromolekul seperti DNA, RNA dan protein juga dapat direpresentasikan dalam berbagai format yang umum dalam bentuk struktur tiga dimensinya yaitu format PDB (Protein Data Bank).

Basis Data Protein (Protein Data Bank)

• Protein Data Bank (PDB; http://www.pdb.org) merupakan kumpulan arsip tunggal mengenai data strukturalmakromolekul biologi dari seluruh dunia.

• PDB didirikan oleh Brookhaven International Laboratories (BIL) pada tahun 1971.

• Penentuan struktur molekul protein yang terdapat pada berkas PDB diperoleh dengan menggunakan data eksperimen.

• Data eksperimen ini berasal dari kristalografi sinar-x atau spektroskopi Nuclear Magnetic Resonance (NMR).

• Kemudian dilakukan proses dengan program komputer untuk membuat model molekul yang paling sesuai dengan data eksperimen.

• Protein Data Bank (PDB) merupakan tempat penampungandata struktur 3D dari protein dan asam nukleat.

• Data ini diperoleh dari kristalografi sinar-X atau spektroskopiNMR yang dikerjakan oleh ilmuwan biologi dan biokimia dariseluruh dunia.

• Situs PDB dapat diakses pada alamat http://www.pdb.org. Situs ini dapat diakses oleh seluruh pengguna internet di seluruh dunia secara gratis.

• Data-data yang terdapat dalam situs ini dikelola oleh sebuahorganisasi yaitu wwPDB (Worldwide Protein Data Bank).

• wwPDB terdiri atas organisasi-organisasi yang bekerja sebagai pusat pengumpulan, pemrosesan data, dan distribusi data di PDB antara lain RSCB PDB dan BRMB (Amerika Serikat), PDBe(Eropa) dan PDBj (Jepang)

• Data struktur tiga dimensi pada PDB diperoleh secara eksperimen, terutama melalui teknik kristalografi sinar X, resonansi magnet inti (Nuclear Magnetic Resonance/NMR), dan mikroskopi cyro-electron.

• Model teoritis juga terdapat dalam PDB tetapi hanya dapat diakses melalui arsip ftp untuk membedakannya dengan data hasil eksperimen.

• Data struktur tiga dimensi yang terdapat dalam PDB terus bertambah dengan pesat, mulai dari 7 struktur pada tahun 1971 hingga lebih dari 77.546 molekul pada Desember 2011.

• PDB dioperasikan oleh Research Collaboratory for Structural Bioinformatics (RCSB) dan dapat diakses secara bebas dan gratis melalui http://www.pdb.org, situs FTP (ftp://ftp.rcsb.org.) dan sejumlah situs lainnya.

Basis Data Obat dan Molekul Kecil

ZINC• ZINC adalah database gratis yang berisi senyawa-

senyawa komersial yang tersedia di pasaran yang ditujukan untuk keperluan virtual screening.

• Database senyawa dalam format 3D yang tersedia siapdigunakan untuk percobaan docking.

• Database Zinc ini disediakan oleh Laboratorium Shoichet di Departemen Kimia Farmasi, Universitas California San Fransisco.

• Akses ke website ZINC dapat melaluihttp://zinc.docking.org.

• Fomat 3D yang tersedia di Database ZINC adalahformat .mol2 dan .sdf

PubChem

• Database PubChem ini dikelola oleh National Institute of Health (NIH) Amerika Serikatdibawah National Library of Medicine.

• Berbagai senyawa organik yang ada dengan sifat-sifat kimia serta struktur 3D dapat diakses secara bebas melalui website resminyayaitu http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.

Cambridge Structural Database (CSD)

• Camdridge Structural Database menyediakan informasi kimia dan kristalografi dari molekul organik dan senyawa-senyawa organometalik.

• Data struktur 3D detentukan menggunakan difraksi sinar-X ataupun neutron. Catatan pada CSD merupakan hasil dari studi kristal tunggalataupun difraksi serbuk.

• CSD merupakan database berlangganan dan halaman utamanya dapat diakses di http://www.ccdc.cam.ac.uk/products/csd/

Drug Bank

• DrugBank merupakan basis data yang yangmenggabungkan secara detil data informasitentang obat baik dari sisi kimia, farmakologiataupun farmasetika dengan target obat yang meliputi sekuens, stuktur ataupun jalurbiokimia.

• Basis data DrugBank ini dikelola oleh Department of Computing Science and Biological Science, Universitas Alberta. Kanada.

• http://www.drugbank.ca/

HerbalDB

• HerbalDB adalah basis data molekul kecil yang berasal dari tanaman obat Indonesia.

• Basis data ini dikembangkan di Laboratorium Komputasi Biomedik Fakultas Farmasi Universitas Indonesia.

• Basis data ini memuat ribuan spesies tanaman obat yang ada di Indonesia, beserta nama daerah, kandungan senyawa dan stuktur molekulnya.

• Basis data ini dapat diakses dari alamat http://herbaldb.farmasi.ui.ac.id

SIMULASI