HUBUNGAN KUANTITATIF STRUKTUR – AKTIVITAS

Makalah kimia medisinal....

BAB II

PEMBAHASAN

HUBUNGAN KUANTITATIF STRUKTUR – AKTIVITAS

Interaksi obat – reseptor ditentukan oleh parameter fisikokimia obat itu : kepolaran, pengionan, dan kerapatan elektron . Semua sifat elektronik 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. Maka, jika kerja hayati obat yang termasuk dalam satu seri dapat diukur dan cara kerjanya dalam seri itu serupa, maka hubungan kuantitatif struktur - aktivitas (HKSA) harus dapat pula dihitung. Tetapi, walaupun dengan segala upaya dan aksal HKSA tetap merupakan tantangan yang belum sepenuhnya terlaksana. Hal ini dapat dipahami jika kita sadari bahwa ada kerumitan besar yang berhubungan dengan molekul obat yang kecil sekalipun, apalagi reseptor makromolekul yang belum banyak kita kenal, atau bahkan seluk-beluk seluruh system kehidupan yang sangat rumit.Pemilihan sejumlah parameter-kunci kimia dan biologi yang dapat dipakai pada penentuan HKSA, beserta kutak-katik statistiknya yang tepat, merupakan proses spontan tersendiri  dengan segi epistemologi yang agak kuat. Ganellin (1977) dan Barlow (1979) mengungkapkan analisis mendalam tentang harapan, prestasi, kesulitan dan jebakan HKSA.

Hubungan kuantitatif struktur kimia dan aktivitas biologis obat (HKSA) merupakan bagian penting rancangan obat, dalam usaha untuk mendapatkan suatu obat baru dengan aktivitas yang lebih besar, keselektifan yang lebih tinggi, toksisitas atau efek samping sekecil mungkin dan kenyamanan yang lebih besar. Selain itu dengan menggunakan model HKSA, akan lebih banyak menghemat biaya atau lebih ekonomis, karena untuk mendapatkan obat baru dengan aktivitas yang dikehendaki, faktor coba-coba ditekan sekecil mungkin sehingga jalur sintesis menjadi lebih pendek.

Ada beberapa model pendekatan hubungan kuantitatif struktur-aktivitas, antara lain adalah pendekatan HKSA Free-Wilson, pendekatan HKSA Hansch, pendekatan mekanika kuantum dan pendekatan konektivitas molekul.

2.1     Metode Pendekatan HKSA Free-Wilson

            Free dan Wilson (1964), mengembangkan suatu konsep hubungan struktur dan aktivitas biologis obat, yang dinamakan model de novo atau model matematik Free-Wilson. Mereka mengemukakan bahwa respons biologis merupakan sumbangan aktivitas dari gugus-gugus substituen terhadap aktivitas biologis senyawa induk, yang dinyatakan melalui persamaan berikut :

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 = ∑ A_n . B_n + µ         (2)

Ket : ∑ A_n . B_n : 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 (n_i-1)

Ket      : j : jumlah kedudukan substituen (zona)

             Ni : jumlah substituen pada kedudukan i.

Contoh model de novo Free-Wilson : HKSA turunan 6-deositetrasiklin terhadap Staphylococcus aureus.

            Bila persamaan (2) dijabarkan lebih lanjut sesuai dengan percobaan di atas, didapatkan persamaan sebagai berikut :

            Metode de novo ini kurang berkembang karena tidak dapat digunakan bila efek subtituen bersifat tidak linier atau bila ada interaksi antar subtituen. Selain itu, model ini memerlukan banyak senyawa dengan kombinasi substituen yang bervariasi untuk dapat menarik kesimpulan yang benar. Meskipun demikian, model ini juga mempunyai keuntungan karena dapat menghubungkan secara kuantitatif antara struktur kimia dan aktivitas biologis dari turunan senyawa dengan bermacam-macam gugus substitusi pada berbagai zona. Model ini digunakan bila tidak ada data tetapan fisika dari senyawa-senyawa yang diteliti dan uji aktivitas lebih lambat dibanding dengan sintesis turunan senyawa.

2.2     Metode Pendekatan HKSA Hansch

            Hansch (1963), mengemukakan suatu konsep bahwa 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 (E_s). Model pendekatan ini disebut pula model hubungan energi bebas linier (linear free energy relationship = LFER) atau pendekatan ekstratermodinamik.

            Ket :    C : Kadar untuk respons biologis baku

∑ π, ∑ σ dan ∑ E_s : sumbangan sifat-sifat lipofilik, elektronik dan sterik dari gugus-gugus terhadap sifat-sifat senyawa induk yang berhubungan dengan aktivitas biologis

a, b, c, d : bilangan (tetapan) yang didapat dari perhitungan analisis regresi linier.

2.2.1        Parameter Sifat Kimia Fisika dalam HKSA Model Hansch

Parameter sifat kimia fisika yang sering digunakan dalam HKSA model Hansch adalah parameter hidrofobik, elektronik, dan sterik.

   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 dan elektronik. Pada proses distribusi obat pengaruh sifat hidrofobik pada umumnya lebih besar dibanding sifat elektronik.

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.

2.2.2        Analisis Statistik dalam HKSA Model Hansch

Perhitungan statistik yang sering digunakan dalam hubungan struktur dan aktivitas melalui parameter-parameter kimia fisika adalah analisis regresi linier dan non linier. Untuk mengetahui hubungan kuantitatif antara struktur kimia dan aktivitas biologis melalui parameter kimia fisika, dapat dilakukan perhitungan statistik dengan bantuan komputer, menggunakan program MICROSAT, ABSTAT, QSAR, STATGRAPHIC, STATISTICA, SIGMASTAT, SPSS atau program statistik yang lain.

a.      Regresi linier

Perhitungan regresi linier digunakan untuk mencari hubungan antara aktivitas biologis dengan satu parameter kimia fisika atau lebih.

Regresi linier untuk satu parameter kimia fisika dinyatakan melalui persamaan berikut.

b.      Regresi non linier

Regresi non linier untuk parameter kimia fisika dapat dinyatakan melalui persamaan sebagai berikut.

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.

2.2.3        Contoh HKSA Model Hansch

·         Hubungan Struktur dan Aktivitas Turunan Kloramfenikol

Hansch dan kawan-kawan (1963), telah melakukan penelitian hubungan struktur dan aktivitas antibakteri terhadap Staphylococcus aureus pada turunan kloramfenikol, yang dapat dilihat sebagai berikut.

Melalui perhitungan statistik analisis regresi non linier, dengan bantuan komputer (misalnya dengan menggunakan program QSAR, STATGRAPHIC atau SPSS), didapatkan persamaan hubungan perubahan struktur dan aktivitas antibakteri terhadap Staphylococcus aureus dari turunan kloramfenikol, melalui parameter kimia fisika π dan σ, sebagai berikut :

     Dari persamaan di atas dapat 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.

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.