Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas Oleh:
Siswandono
Laboratorium Kimia Medisinal
Crum, Brown dan Fraser (1869) Æ aktivitas biologis alkaloida alam, seperti striknin, brusin, tebain, kodein, morfin dan nikotin akan menurun atau hilang bila direaksikan dengan metil iodida Æ efek biologis suatu senyawa (φ) merupakan fungsi dari struktur kimianya (C). Overton (1897) dan Meyer (1899) Æ efek narkosis senyawasenyawa yang mempunyai struktur kimia bervariasi berhubungan dengan nilai koefisien partisi lemak/air. Ferguson (1939) Æ aktivitas bakterisid turunan fenol mempunyai hubungan linier dengan kelarutan dalam air. Corwin Hansch dkk (1963) Æ menghubungkan struktur kimia dan aktivitas biologis obat melalui sifat-sifat kimia fisika Æ 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.
a. b. c. d. e.
Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas (HKSA) Æ bagian penting rancangan obat dalam usaha mendapatkan obat baru dengan : aktivitas lebih besar, lebih selektif, toksisitas atau efek samping lebih rendah, kenyamanan yang lebih besar, lebih ekonomis Æ faktor coba-coba ditekan sekecil mungkin Æ jalur sintesis menjadi lebih pendek.
Model Pendekatan HKSA 1. Model de novo Free-Wilson 2. Model LFER Hansch
Model Pendekatan HKSA Free-Wilson Respons biologis merupakan sumbangan aktivitas gugus substituen terhadap aktivitas senyawa induk : Log 1/C = Σ S + μ 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 An.Bn + μ Σ An.Bn = total sumbangan aktivitas dari n substituen dalam n zona terhadap aktivitas senyawa induk
Contoh model de novo Free-Wilson Æ HKSA turunan 6-deoksitetrasiklin terhadap Staphylococcus aureus X
N(CH3 )2
R
OH
Struktur umum : Y OH
No. senyawa
R H
1.
+
2.
+
3.
+
4.
+
5.
+
6.
+
O
OH
OH
CONH2 O
X CH3
NO 2
Cl
Y Br
+ + +
NO 2
NH2
NHCOCH3
Log 1/C
+
60
+
21
+
15 +
525
+
320
+
+
275
+
160
+ +
7.
+
+
8.
+
+
9.
+
+
10.
+
+
+
15 140
+ +
75
Aktivitas biologis = (R) + (X) + (Y) + μ (R), (X) dan (Y) = sumbangan aktivitas dari gugus-gugus yang terdapat pada posisi R, X dan Y. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
(H)R + (NO2)X (H)R + (Cl)X (H)R + (Br)X (H)R + (Cl)X (H)R + (Br)X (H)R + (NO2)X (CH3)R + (NO2)X (CH3)R + (NO2)X (CH3)R + (Br)X (CH3)R + (Br)X
+ (NO2)Y + (NO2)Y + (NO2)Y + (NH2)Y + (NH2)Y + (NH2)Y + (NH2)Y + (NHCOCH3)Y + (NH2)Y + (NHCOCH3)Y
+ + + + + + + + + +
μ μ μ μ μ μ μ μ μ μ
= = = = = = = = = =
60 21 15 525 320 275 160 15 140 75
Sumbangan aktivitas substituen-substituen terhadap aktivitas 6-deoksitetrasiklin Æ dihitung menggunakan komputer Program QSAR : No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Posisi Substituen R R
Substituen
H CH3 X Cl X Br X NO2 Y NH2 Y NHCOCH3 Y NO2 Aktivitas senyawa induk (μ)
Sumbangan Aktivitas 75 -113 84 -16 -26 123 18 -218 161
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.
Model pendekatan HKSA Hansch Pendekatan HKSA Hansch dinyatakan melalui persamaan regresi linier :
log 1/C = a Σ π + b Σ σ + c Σ Es + d C
= kadar untuk respons biologis baku.
Σ π, Σ σ dan Σ Es = 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 Æ 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 Es + e
SIMBOL
PARAMETER
KETERANGAN
PARAMETER HIDROFOBIK 2
Logaritma koefisien partisi Tetapan substituen hidrofobik Hansch-Fujita
log P = Σ π π X = log PSX - log PSH
f
Tetapan fragmentasi Rekker-Mannhold
log P = Σ f
ƒ
Tetapan fragmentasi Hansch-Leo
Log P, (log P)
π, π 2
Rm
Parameter kromatografi
Δ Rm
Parameter kromatografi substituen
δ , log δ
Parameter kelarutan
log Sw
Logaritma kelarutan dalam air
Rm = log { (1/R f ) - 1 } Δ Rm = R m (RX) - Rm (RH)
PARAMETER ELEKTRONIK A. Parameter percobaan pKa Δ pKa log K
Negatif logaritma tetapan ionisasi Perubahan negatif logaritma tetapan ionisasi Tetapan keseimbangan reaksi
t1/2
Parameter reaksi
I
Potensial ionisasi
PE
Polarisabilitas molar elektronik
α
Polarisabilitas elektronik
μ
Dipol momen elektrik
Δ ppm Δ ν Ε
Pergeseran kimia spektra NMR Pergeseran kimia spektra IR Potensial redoks
Tetapan reaksi
Sifat organik fisik
B. Parameter semi teoritis σ, σ
2
Tetapan elektronik Hammett
σX = pKaSX - pKaSH
σm
Efek elektronik substituen pada posisi meta
σp σI σ*
Efek elektronik substituen pada posisi para Tetapan substituen polar Taft
σ
F
Tetapan induktif field
σ = aF + bR
R
Tetapan resonansi
ER
Tetapan reaksi homolitik
Tetapan induktif alifatik Taft
C. Parameter teori orbital molekul Total energi elektron dalam molekul Etot EHO MO ELEMO ε q Sr
Kemampuan donor elektron total molekul Kemampuan aseptor elektron total molekul
σi = 1/2 ( 3 σp - σm ) *
= 2,51 σi
Energi minimum konformasi molekul Total energi elektron mol.
N
Kerapatan muatan atom Muatan elektronik atom Superdelokalisabilitas nukleofilik
Kerapatan elektron
E
Superdelokalisabilitas elektrofilik
dan energi atom
R
Superdelokalisabilitas radikal bebas
Sr Sr c
Koefisien orbital atom
PARAMETER STERIK A. Parameter meruah (bulk ) MW MV MR P
Berat molekul Volume molar Refraksi molar Parakor
VW
2
2
MR = (n - 1) x BM / (n - 2) x d 1/4
[P] = BM x (γ )
/ (D-d)
Volume van der Waal’s
B. Parameter sterik (true ) Es Es
c
R rav U L B1 B2 B3 B4 B5
Parameter sterik Taft Parameter sterik terkoreksi Hancock’s
Es = log ( KSX/KSCH3 )a c
Es = Es - 0,306 ( n - 3 )
Jarak antar atom Jari-jari van der Waal’s
rav = 1/2 [ rv(min) + rv(maks) ]
Tetapan sterik Charton
U = rv(min) - 1,20
Panjang substituen (panjang aksis ikatan antara substituen dengan molekul induk) Lebar minimal substituen Lebar tambahan Lebar maksimal substituen
Tetapan sterimol Verloop
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 = aX1 + bX2 + c Y = aX1 + bX2 + cX3 + d X1, X2, dan X3 = parameter-parameter kimia fisika 1, 2 dan 3.
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(X1)2 + bX1 + cX2 + d Y = - a(X1)2 + bX1 + cX2 + dX3 + e Perhitungan analisis regresi dapat dilakukan dengan menggunakan Program Komputer : QSAR / SPSS / STATGRAPHICS / SIGMASTAT / MINITAB / STATISTIKA dll.
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
-1,54
15
0,996
0,090
Narkosis, tad poles
ROH
1,28
0,59
7
0,999
0,055
4-Alkilresorsinol
0,91
-1,10
8
0,952
0,409
Arilalkilurea
0,55
2,42
23
0,943
0,116
Koefisien fenol, S. aureus Hipnosis, tikus
2) Hubungan nonlinier antara aktivitas biologis dengan log P 2
log 1/C = a (log P) + 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
-1,87
10
0,982
0,180
Lokalisasi dalam otak tikus
Asam benzenboronat
-0,53
2,47
-1,05
14
0,915
0,214
Barbiturat
-0,55
1,80
2,10
15
0,855
0,124
Tiobarbiturat
-0,33
2,22
0,60
10
0,958
0,101
Hipnosis, tikus, MED Hipnosis, kelinci, MED
3) Hubungan nonlinier antara aktivitas biologis dengan π dan σ 2
log 1/C = a (π ) + b π + c σ + d Sistem Biologis Penghambatan S. aureus Penghambatan E. coli
Tipe Senyawa
a
b
c
d
n
r
s
Kloramfenikol
-0,54
0,48
2,13
0,22
9
0,945
0,264
Kloramfenikol
-0,68
0,31
1,36
0,79
10
0,818
0,555
HSA Turunan Kloramfenikol OH
Struktur umum:
R
O
CH CH NH C
CHCl 2
CH2 O H
No.
R
σ
π
Log A (pengamatan)
Log A (perhitungan)
1
-NO2
0,71
0,06
2,00
1,77
2
-CN
0,68
-0,31
1,40
1,47
3
-SO2CH3
0,65
-0,47
1,04
1,27
4
0,32
-0,04
1,00
0,89
5
-CO2CH3 -Cl
0,37
0,70
1,00
1,08
6
-NN-C6H5
0,58
1,72
0,78
0,69
7
-OCH3
0,12
-0,04
0,74
0,46
8
-NHCO-C6H5
0,22
0,72
0,40
0,76
9
-NHCOCH3
0,10
-0,79
-0,30
-0,28
Perhitungan analisis regresi non linier Æ 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 Æ pengaruh sifat elektronik > lipofilik. 2. Kloramfenikol (R = NO2) 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.
HSA Obat Penekan Sistem Saraf Pusat Hansch dkk. Æ 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
Nilai π
O NH
O H3 CH2 C
O
NH H3 C CH CH2 CH2 O CH3
N
O H
Amobarbital
N
(-) 1,35
O
H
H3 CH2 C H3 C CH CH2 CH2
(+) 1,00 (+) 2,30
CH3
Log P ( Σ π ) = (+) 1,95
HSA Turunan Fenol Yasuda Æ hubungan perubahan struktur dan aktivitas penghambatan spora Bacillus subtilis (Log 1/I50) dengan nilai log P dan pKa turunan fenol Log 1/I50 = 0,43 Log P + 1,84
[1]
( n = 39; r = 0,747; S = 0,496; F = 46,6 )
Log 1/I50 = 0,49 Log P + 0,13 pKa + 0,58
[2]
( n = 39; r = 0,830; S = 0,416; F = 39,9 )
Log 1/I50 = 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/I50 = 1,08 Log P - 0,09 (Log P)2 + 0,1 pKa + 0,07 ( n = 39; r = 0,913; S = 0,305; F = 58,3 )
[4]
HSA Turunan Asam Benzen Boronat Hansch Æ HSA antitumor turunan asam benzen boronat [ R-C6H5-B(OH)2 ] Æ 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; r2 = 0,857; S = 0,214 )
Gugus asam boronat yang bersifat elektron donor atau nilai π (-), memudahkan interaksi obat dengan jaringan tumor yang kekurangan elektron Æ 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 Æ merusak jaringan tumor otak.
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.
