Hubungan kuantitatif struktur aktivitas senyawa vinkadiformina dan turunannya sebagai senyawa antimalaria berdasarkan parameter teoretis hasil perhitungan semiempiris PM3 - USD Repository
HUBUNGAN KUANTITATIF STRUKTUR-AKTIVITAS SENYAWA
VINKADIFORMINA DAN TURUNANNYA SEBAGAI SENYAWA
ANTIMALARIA BERDASARKAN PARAMETER TEORETIS HASILPERHITUNGAN SEMIEMPIRIS PM3 (PARAMETERIZED MODEL 3)
SKRIPSI
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Farmasi (S.Farm.)
Program Studi Ilmu Farmasi Oleh :
Nugraha Adi Hartantyo NIM : 038114134
FAKULTAS FARMASI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2007
HUBUNGAN KUANTITATIF STRUKTUR-AKTIVITAS SENYAWA
VINKADIFORMINA DAN TURUNANNYA SEBAGAI SENYAWA
ANTIMALARIA BERDASARKAN PARAMETER TEORETIS HASILPERHITUNGAN SEMIEMPIRIS PM3 (PARAMETERIZED MODEL 3)
SKRIPSI
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Farmasi (S.Farm.)
Program Studi Ilmu Farmasi Oleh :
Nugraha Adi Hartantyo NIM : 038114134
FAKULTAS FARMASI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2007
HUBUNGAN KUANTITATIF STRUKTUR-AKTIVITAS SENYAWA
VINKADIFORMINA DAN TURUNANNYA SEBAGAI SENYAWA
ANTIMALARIA BERDASARKAN PARAMETER TEORETIS HASIL
PERHITUNGAN SEMIEMPIRIS PM3 (PARAMETERIZED MODEL 3)
Oleh:
Nugraha Adi Hartantyo NIM : 038114134
Skripsi ini telah disetujui oleh Pembimbing I (Drs. Iqmal Tahir, M.Si.) tanggal ......................................
Pembimbing II (Drs. Mulyono, Apt.) tanggal ......................................
PERSEMBAHAN
Segala sesuatu mungkin bagi orang yang percaya Markus 9:23
Menjadi laki-laki adalah masalah kelahiran Menjadi pria sejati adalah masalah pilihan Kupersembahkan karya ini untuk yang Mengasihiku, Tuhan , Ibu-Bapakku
ungkapan rasa hormat dan baktiku
Kakakku dan Kekasihku
serta
Almamaterku
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah Yang Maha Kuasa, karena berkat rahmat dan kasih-Nya, penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas Senyawa Vinkadiformina dan Turunannya Sebagai Senyawa Antimalaria Berdasarkan Parameter Teoretis Hasil Perhitungan Semiempiris PM3 (Parameterized Model 3)”. Skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Farmasi (S.Farm) di Fakultas Farmasi Universitas Sanata Dharma.
Penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada pihak-pihak yang telah terlibat dalam penyusunan skripsi ini, antara lain :
1. Fakultas Farmasi Universitas Sanata Dharma yang telah memberikan pendidikan dan pengajaran kepada penulis.
2. Bapak Drs. Iqmal Tahir, M.Si. selaku pembimbing utama yang telah memberikan bimbingan, kritik dan saran selama penyusunan skripsi ini.
3. Bapak Drs. Mulyono, Apt. selaku pembimbing pembantu yang berkenan memberikan bimbingan, pengarahan, kritik dan saran, serta diskusi-diskusi yang sangat memotivasi penulis.
4. Ibu Christine Patramurti, M.Si., Apt. selaku dosen penguji yang berkenan meluangkan waktu untuk menguji, memberikan kritik dan saran demi kesempurnaan skripsi ini.
5. Ibu Dra. Agnes Nora Iska Harnita, M.Si., Apt. selaku dosen penguji yang telah meluangkan waktu untuk menguji, memberikan kritik dan saran yang memotivasi penulis untuk menyempurnakan skripsi ini.
6. Bapak Enade Perdana Istyastono, S.F., Apt. selaku dosen yang turut membantu dan memberi masukan selama penelitian dan penyusunan skripsi.
7. Bapak Aman Soepardi dan Ibu Khatarina Sri Hardatyani tersayang, kedua orang tua yang telah memberikan doa restu dan dukungan moral bagi penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
8. Mas Wied dan Pakde Bambang, kedua pakde beserta keluarganya yang telah memberikan doa restu dan dukungan bagi penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
9. Mba Mazi, Mas Ova, Mba Novi, dan Mba Ninin, kakak-kakak tercinta yang memberikan dukungan moral dan finansial selama penyusunan skripsi.
10. Tyas Ayu Puspita yang selalu menemani, memberi dukungan dengan setia, sabar, dan penuh kasih sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Terima kasih untuk semuanya.
11. Dominika Anny Yanuarti dan Ariyanto, teman-teman seperjuangan yang bersama-sama mengalami jatuh bangun selama proses penyusunan skripsi.
Menjalani skripsi bersama kalian adalah pengalaman yang sangat berharga.
12. Teman-teman kelas C angkatan 2003 yang memberikan dorongan dan semangat bagi penulis untuk menyelesaikan skripsi. Semoga kebersamaan dan persahabatan kita tidak akan lekang oleh waktu.
13. Teman-teman UP2U dimanapun kalian berada, Albert, Gaband, Heri Boy, Risma, Grace, Bobo, Dewi, Ari, Lolo, Lulu, Rio, Kurniawan, Urip, Nanick, dan Titiek yang selalu memberikan semangat bagi penulis selama proses penyusunan skripsi.
14. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. Terima kasih atas bantuan dan dukungan yang telah diberikan, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Dengan segala kerendahan hati, penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis membuka diri terhadap kritik dan saran yang bersifat membangun. Penulis berharap, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan.
Penulis
INTISARI
Malaria telah dikenal sebagai salah satu penyebab kematian di daerah beriklim tropis, salah satunya adalah di Indonesia. Pengobatan pada orang yang terkena malaria telah banyak dilakukan, umumnya menggunakan berbagai jenis obat sintetik seperti klorokuin atau meflokuin, fenantrolin-1,10, turunan primakuin atau artemisinin. Untuk menanggulangi terjadinya resistensi dari obat- obat tersebut, maka perlu dilakukan pengembangan dan desain senyawa antimalaria baru, salah satunya dengan metode analisis Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas (HKSA). Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui HKSA senyawa vinkadiformina dan turunannya yang telah diketahui memiliki aktivitas antimalaria yang dinyatakan dalam log 1/IC . IC merupakan konsentrasi efektif
50
50 untuk menghambat pertumbuhan parasit malaria sebanyak 50%.
Penelitian ini menggunakan rancangan eksperimental kuasi. Sebagai variabel bebas digunakan deskriptor elektronik, sterik, dan hidrofobisitas yang berjumlah 17. Sebagai variabel tergantung digunakan aktivitas antimalaria dalam bentuk log 1/IC . Data parameter teoretis diperoleh dengan perhitungan
50
semiempiris PM3 (Parameterized Model 3) menggunakan program komputer HyperChem Pro ver.6.0.
Data parameter teoretis (deskriptor) diolah secara statistik menggunakan analisis regresi multivariat metode backward dengan program SPSS 11.0 for
Windows. Analisis statistik yang dilakukan menghasilkan 7 model persamaan
HKSA. Model persamaan 5 merupakan HKSA terbaik yang diperoleh berdasarkan kriteria statistik, yaitu : Log 1/IC = 10,5159(qC ) - 32,2812(qC ) + 16,50897(qC ) +
50
1
4
5
5,614975(qC ) + 55,00465(qC ) + 0,95489(log P) - 0,3535(
7
9 ∂)
- 0,01024(M) - 0,0388(µ) - 0,37543(
ΔE) + 15,62413
Model persamaan tersebut dapat digunakan untuk memprediksikan aktivitas antimalaria senyawa-senyawa baru turunan vinkadiformina.
Kata kunci: HKSA, antimalaria, vinkadiformina, PM3
ABSTRACT
Malaria has been known as one of the causes of death in the tropical area, such as in Indonesia. Medication for people who suffered from malaria has been done. Generally, it used some of synthetic drugs such as chloroquin or mefloquin, phenanthrolyn-1,10, derivates of primaquin or arthemisinin. To overcome the resistance from those drugs, it needs to develop and design the new antimalarial substances using Quantitative Structure and Activity Relationship (QSAR) method for the example. The goal of this research is to know the quantitative relationship between structure and activity of vincadifformine and its derivatives based on log 1/IC . IC is concentration that can inhibit 50% of the malaria
50
50 plasmodia’s growth.
This research uses quasi experimental design. Seventeen electronic, steric, and hydrophobicities descriptor were used as independent variabel. Antimalarial activity (log 1/IC
50 ) was used as dependent variabel. Theoritical parameter data
were obtained by PM3 (Parameterized Model 3) semiempirical calculation from HyperChem Pro ver.6.0 computer programme.
Theoritical parameter data (descriptor) were analysed statistically using multivariate linear regression backward method by SPSS 11.0 for Windows programme. That statistic analysis results 7 QSAR equation models. The fifth equation model is the best quantitative relationship between structure and activity based on statistic criteria, with was represented i.e.
Log 1/IC
50 = 10.5159(qC 1 ) – 32.2812(qC 4 ) + 16.50897(qC 5 ) +
5.614975(qC
7 ) + 55.00465(qC 9 ) + 0.95489(log P) – 0.3535(
∂)
- 0.01024(M) – 0.0388(µ) – 0.37543(
ΔE) + 15.62413
That equation model could be used to predict antimalarial activity of the new vincadifformine derivates.
Key words : QSAR, antimalarial, vincadifformine, PM3
DAFTAR ISI
HALAMAN SAMPUL .................................................................................... i HALAMAN JUDUL ....................................................................................... ii HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING .............................................. iii HALAMAN PENGESAHAN ......................................................................... iv HALAMAN PERSEMBAHAN ...................................................................... v PRAKATA....................................................................................................... vi PERNYATAAN KEASLIAN KARYA .......................................................... ix
INTISARI ........................................................................................................ x
ABSTRACT....................................................................................................... xi
DAFTAR ISI.................................................................................................... xii DAFTAR TABEL............................................................................................ xv DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... xvi DAFTAR LAMPIRAN.................................................................................... xviii DAFTAR SINGKATAN DAN ARTI LAMBANG ........................................ xix
BAB I PENGANTAR...................................................................................... 1 A. Latar Belakang ........................................................................................... 1 B. Permasalahan ............................................................................................. 4 C. Manfaat Penelitian ..................................................................................... 4 D. Keaslian Penelitian..................................................................................... 5 E. Tujuan Penelitian ....................................................................................... 5 BAB II PENELAAHAN PUSTAKA .............................................................. 7 A. Malaria ....................................................................................................... 7
B. Pengelompokan Senyawa Antimalaria ...................................................... 10
C. Mekanisme Kerja Senyawa Antimalaria .................................................. 23
D. Vinkadiformina .......................................................................................... 28
E. Hubungan Kuantitatif Struktur dan Aktivitas ............................................ 29
F. Kimia Komputasi ....................................................................................... 31
G. Metode PM3............................................................................................... 33
H. Analisis Statistik ........................................................................................ 34
I. Keterangan Empiris ................................................................................... 37
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ........................................................ 39 A. Jenis dan Rancangan Penelitian ................................................................. 39 B. Variabel dan Definisi Variabel .................................................................. 39 C. Bahan dan Alat Penelitian.......................................................................... 40
1. Bahan ................................................................................................... 40
2. Alat....................................................................................................... 43
D. Tata Cara Penelitian ................................................................................... 43
1. Optimasi geometri struktur senyawa vinkadiformina dan turunannya dengan metode PM3 .................................................................................. 43
2. Perhitungan sifat fisika kimia molekul senyawa vinkadiformina dan turunannya........................................................................................... 44 E. Analisa Data dan Hasil............................................................................... 45
1. Analisis regresi multivariat .................................................................. 45
2. Analisis kriteria statistik model persamaan matematis ........................ 45
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ......................................................... 47 A. Optimasi Geometri Senyawa Vinkadiformina dan Turunannya dengan Metode PM3............................................................................................... 47 B. Perhitungan Sifat Fisika Kimia Senyawa Vinkadiformina dan Turunannya ........................................................................................ 50 C. Analisis Hubungan Kuantitatif Struktur Aktivitas Senyawa
Vinkadiformina dan Turunannya ............................................................... 53
D. Makna Model Persamaan Terbaik ............................................................. 58
E. Strategi Rancangan Molekul Senyawa Antimalaria Baru Menggunakan Model Persamaan Terbaik.................................................. 64
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .......................................................... 73 A. Kesimpulan ................................................................................................ 73 B. Saran .......................................................................................................... 73 DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 74 LAMPIRAN..................................................................................................... 77 BIOGRAFI PENULIS ..................................................................................... 83
DAFTAR TABEL
I. Struktur senyawa vinkadiformina dan turunannya ................................. 41
II. Data aktivitas (log 1/IC
50 ) senyawa vinkadiformina dan
turunannya .............................................................................................. 43
III. Deskriptor-deskriptor yang dihitung menggunakan metode PM3.......... 53
IV. Deskriptor-deskriptor yang terlibat di dalam model persamaan............. 54
V. Nilai-nilai parameter statistik untuk mengeliminasi model persamaan .. 55
VI. Nilai aktivitas prediksi yang dihitung dengan model persamaan 5 dan dibandingkan dengan aktivitas eksperimen................................... 59
VII. Nilai koefisien dan nilai mutlak koefisien masing-masing parameter pada persamaan 5 ................................................................... 60
VIII. Struktur senyawa hipotetik turunan vinkadiformina............................... 68
IX. Data aktivitas (log 1/IC ) senyawa hipotetik turunan vinkadiformina .. 70
50 X. Nilai log P senyawa hasil penelitian Mustofa, senyawa hipotetik
turunan vinkadiformina, dan klorokuin .................................................. 72
DAFTAR GAMBAR
1. Siklus perkembangan parasit malaria ........................................................ 8
2. Struktur kuinakrin HCl .............................................................................. 15
3. Struktur dasar senyawa 4-aminokuinolin................................................... 16
4. Struktur klorokuin ...................................................................................... 17
5. Struktur dasar senyawa 8-aminokuinolin................................................... 17
6. Struktur primakuin ..................................................................................... 19 7. a. Struktur proguanil .................................................................................. 19
b. Struktur sikloguanil................................................................................ 19
8. Struktur pirimetamin .................................................................................. 20 9. a. Struktur kuinin ....................................................................................... 21
b. Struktur kuinidin .................................................................................... 21 10. a. Struktur sulfadoksin .............................................................................. 22
b. Struktur dapson ...................................................................................... 22
11. Mekanisme aksi klorokuin pada tingkat molekular ................................... 25
12. Struktur senyawa vinkadiformina .............................................................. 28
13. Struktur senyawa vinkadiformina dengan penomeran atom tidak mengikuti kaidah tatanama senyawa dan hanya digunakan untuk penelitian ini saja ............................................................................ 40 14. Kerangka struktur senyawa vinkadiformina dan turunannya.
Penomoran atom tidak mengikuti kaidah tatanama senyawa dan hanya digunakan untuk pemodelan pada penelitian ini ...................... 47
15. Model stick & ball senyawa vinkadiformina sebelum
optimasi geometri....................................................................................... 49
16. Model stick & ball senyawa vinkadiformina sesudah optimasi geometri....................................................................................... 50
17. Grafik PRESS pada persamaan 5............................................................... 59
18. Daerah sensitif senyawa turunan vinkadiformina...................................... 61 19. a. Struktur indol ......................................................................................... 64
b. Cincin kuinolin....................................................................................... 64
DAFTAR LAMPIRAN
1. Nilai-nilai parameter elektronik hasil perhitungan semiempiris PM3 ....... 77
2. Nilai-nilai parameter sterik dan hidrofobik hasil perhitungan semiempiris PM3 ....................................................................................... 78
3. Model summary hasil perhitungan metode backward menggunakan
SPSS 13.0 for Windows.............................................................................. 79
4. ANOVA hasil perhitungan metode backward menggunakan
SPSS 13.0 for Windows.............................................................................. 80
5. Koefisien hasil perhitungan metode backward menggunakan
SPSS 13.0 for Windows.............................................................................. 81
6. Nilai-nilai parameter elektronik, sterik dan hidrofobik hasil perhitungan semiempiris PM3 senyawa hipotetik turunan vinkadiformina .................. 82
DAFTAR SINGKATAN DAN ARTI LAMBANG
1. ADN: asam deoksiribonukleat
2. ARN: asam ribonukleat
3. AM1: Austin Model 1
4. CNDO: Complete Neglect of Differential Overlap
5. E : Highest Occupied Molecular Orbitals Energy
HOMO
6. E LUMO : Lowest Unoccupied Molecular Orbitals Energy
7. HKSA: Hubungan Kuantitatif Struktur Aktivitas 8.
INDO: Intermediate Neglect of Differential Overlap
9. LFER: Linear Free Energy Relationship (hubungan energi bebas linear) 10. log1/IC : - log konsentrasi yang dapat menghambat pertumbuhan
50
plasmodia sebesar 50% 11. log P: koefisien partisi obat dalam fase air dan fase lipid
12. M: Massa
13. MINDO: Modified Intermediate Neglect of Differential Overlap
14. MNDO: Modified Neglect of Diatomic Overlap
15. MR: Refraktivitas Molar 16. m: jumlah deskriptor dalam persamaan
17. NDDO: Neglect of Diatomic Differential Overlap 18. n: jumlah data
19. PM3: Parameterized Model 3
20. PRESS: Predicted Residual Sum of Squares 21. qC: muatan bersih atom C 22. qN: muatan bersih atom N
23. QSAR: Quantitative Structure Activity Relationship
24. R: koefisien korelasi
2
25. R : koefisien determinasi
26. SA: Surface Area (luas permukaan)
27. SE: Standard Error
28. Sig: Signifikansi
29. V: Volume Molekular
30. ZINDO: Zerner Intermediate Neglect of Differential Overlap
31. LUMO dan E HOMO ΔE: selisih antara E
32. µ: Momen Dipol 33.
∂: Polarisabilitas Molekular 34. 2D: dua dimensi 35. 3D: tiga dimensi
BAB I PENGANTAR A. Latar Belakang Malaria merupakan salah satu penyakit menular yang masih memerlukan
perhatian khusus (Dewi, 2002). Peningkatan insiden malaria di beberapa daerah tertentu terutama di Indonesia Bagian Timur disebabkan antara lain: Plasmodium
falciparum telah resisten terhadap beberapa obat antimalaria, ditemukannya P.
vivax resisten klorokuin, dan belum tersedianya vaksin yang efektif (Taylor,
2004).Resistensi dapat disebabkan karena pemakaian obat yang tidak tepat, sebagai contoh, penderita tidak menyelesaikan suatu rancangan pengobatan, dan pemakaian obat yang berlebihan atau tidak sesuai dosis yang telah ditetapkan. Di antara keempat spesies Plasmodia manusia, kasus malaria P. falciparum tampaknya lebih dominan dan juga merupakan penyebab malaria berat yang banyak menimbulkan kematian. Di Indonesia dilaporkan terdapat fokus-fokus P.
falciparum resisten terhadap klorokuin pada 26 propinsi, resisten terhadap
sulfadoksin-pirimetamin pada 3 propinsi, dan resisten terhadap meflokuin pada dua propinsi (Tjitra, 1993).
Pengobatan malaria merupakan salah satu upaya dalam rangkaian kegiatan program pemberantasan. Keberhasilan pengobatan untuk penyembuhan maupun pencegahan tergantung apakah obat itu ideal, diminum secara teratur sesuai dengan jadwal pengobatan dan takaran yang telah ditetapkan. Obat antimalaria yang ideal adalah obat yang mempunyai efek terhadap semua jenis dan stadia parasit, menyembuhkan infeksi akut maupun laten, cara pemakaian mudah, harganya terjangkau oleh seluruh lapisan penduduk dan mudah diperoleh, efek samping ringan dan toksisitas rendah. Sampai saat ini belum ada obat antimalaria yang ideal (Tjitra, 1993).
Pengembangan pengobatan malaria diperlukan untuk memperoleh obat yang ideal, mengatasi masalah resistensi, dan untuk membantu menanggulangi masalah malaria di dunia. Dasar pengembangan pengobatan malaria adalah dengan meningkatkan atau memperbaiki efikasi pengobatan malaria tanpa komplikasi yaitu dengan mengembangkan kombinasi atau regimen obat antimalaria yang tersedia di Indonesia atau dengan mempersiapkan obat antimalaria baru dan mencari obat antimalaria baru alternatif yang efektif sebagai obat penyelamat untuk pengobatan malaria dengan komplikasi (Taylor, 2004).
Senyawa vinkadiformina merupakan hasil isolasi dari ekstrak tanaman A.
pyrifolium dan A. megalocarpon yang merupakan tanaman tradisional sebagai
obat antimalaria dari Amerika (Mustofa, 2001). Vinkadiformina telah berhasil diuji aktivitasnya oleh Mustofa (2001) sebagai antimalaria. Mustofa telah mensintesis 16 senyawa vinkadiformina dan turunannya dan menguji aktivitas antimalaria senyawa-senyawa tersebut terhadap P. falciparum yang tergolong resisten terhadap klorokuin yaitu FcM29-Kamerun dan P. falciparum yang sensitif terhadap klorokuin yaitu sel Nigerian (Tahir dkk., 2005). Hasil sintesis dan pengujian aktivitas antimalaria vinkadiformina dan turunannya, membuka jalan bagi pengembangan dan desain senyawa turunan vinkadiformina sebagai antimalaria baru.
Pengembangan dan desain senyawa antimalaria baru dapat dilakukan dengan berbagai metode, salah satunya adalah analisis Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas (HKSA). Metode ini dapat mengurangi faktor trial and error dalam sintesis obat baru, fokus pada sintesis obat baru serta mencapai efisiensi waktu dan biaya. Selain itu, kajian HKSA dapat memberikan informasi maksimum dari molekul obat baru dengan dana yang lebih sedikit (Foye, 1981).
Analisis HKSA vinkadiformina dan turunannnya telah dilakukan oleh Tahir dkk. (2005). Dalam penelitiannya, Tahir, dkk. menganalisis HKSA 16 senyawa vinkadiformina dan turunannya yang telah diuji aktivitasnya terhadap P.
falciparum yang sensitif terhadap klorokuin (sel Nigerian), oleh Mustofa. Dengan
metode semiempiris Austin Models 1 (AM1), Tahir, dkk. berhasil memperoleh model persamaan terbaik yang dapat menggambarkan hubungan kuantitatif struktur senyawa vinkadiformina dan turunannya dengan aktivitasnya sebagai antimalaria. Model persamaan yang diperoleh oleh Tahir, dkk. memperlihatkan bahwa parameter teoretis berupa parameter elektronik dan sterik memberikan pengaruh yang besar terhadap aktivitas antimalaria yaitu log 1/IC . Log 1/IC
50
50
menyatakan log konsentrasi yang dapat menghambat pertumbuhan plasmodia sebesar 50%.
Penelitian ini juga dilakukan untuk memperoleh hubungan kuantitatif antara struktur dan aktivitas 16 senyawa vinkadiformina dan turunannya yang telah diuji aktivitasnya terhadap P. falciparum yang sensitif terhadap klorokuin (sel Nigerian), oleh Mustofa. Berbeda dengan yang telah dilakukan oleh Tahir dkk., penelitian ini menggunakan metode semiempiris Parameterized Models 3
(PM3) yang diharapkan akan memberikan model persamaan terbaik yang menggambarkan hubungan kuantitatif struktur senyawa vinkadiformina dan turunannya melalui parameter teoretis yang meliputi parameter elektronik, sterik, dan hidrofobisitas, terhadap aktivitasnya sebagai antimalaria. Metode PM3 dipilih karena merupakan metode perbaikan dari metode sebelumnya yaitu Modified
Neglect of Diatomic Overlap (MNDO) dan AM1 yang dapat memprediksikan
sifat fisika kimia suatu senyawa dengan ketepatan yang lebih baik karena telah mengalami reparameterisasi. PM3 berbeda dari metode AM1 hanya pada nilai parameter yang digunakan. Metode PM3 digunakan untuk menghitung semua parameter secara bersamaan, dan melibatkan ratusan data dari basis set yang lebih banyak daripada metode lain. PM3 memiliki set parameter-parameter terbaik untuk data eksperimen.
B. Permasalahan
Dari latar belakang di atas muncul permasalahan sebagai berikut:
1. Bagaimana hubungan kuantitatif antara struktur dan aktivitas senyawa vinkadiformina dan turunannya sebagai senyawa antimalaria berdasarkan parameter teoretis hasil perhitungan semiempiris PM3?
2. Bagaimana rancangan struktur senyawa hipotetik turunan vinkadiformina yang mempunyai aktivitas antimalaria berdasarkan persamaan terbaik yang diperoleh dari hasil analisis HKSA?
C. Manfaat Penelitian
1. Manfaat Teoretis Penelitian ini diharapkan dapat memperkaya ilmu pengetahuan dalam kefarmasian, terutama dalam bidang kimia medisinal dan kimia komputasi.
2. Manfaat Praktis Penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi mengenai hubungan antara struktur dan aktivitas senyawa vinkadiformina dan turunannya sehingga dapat dijadikan pedoman dalam penemuan senyawa antimalaria baru.
D. Keaslian Penelitian
Penelitian mengenai hubungan kuantitatif struktur-aktivitas senyawa vinkadiformina dan turunannya sebagai antimalaria telah dilakukan oleh Tahir dkk. (2005). Dalam penelitian ini digunakan 16 senyawa vinkadiformina dan turunannya beserta data IC
50 yang sama dengan penelitian Tahir, dkk. (2005).
Pendekatan HKSA dilakukan menggunakan metode semiempiris PM3 dalam menghitung parameter teoretis struktur senyawa vinkadiformina dan turunannya hingga ditemukan model persamaan terbaik.
E. Tujuan Penelitian
1. Penelitian ini bertujuan untuk menggambarkan hubungan kuantitatif antara struktur dan aktivitas senyawa vinkadiformina dan turunannya sebagai senyawa antimalaria berdasarkan parameter teoretis hasil perhitungan semiempiris PM3.
2. Penelitian ini bertujuan untuk merancang struktur senyawa hipotetik turunan vinkadiformina yang mempunyai aktivitas antimalaria berdasarkan persamaan terbaik yang diperoleh dari hasil analisis HKSA.
BAB II PENELAAHAN PUSTAKA A. Malaria Malaria merupakan infeksi yang penting dengan tanda-tanda khas yaitu
demam, anemia, spelenomegali dan sering dengan komplikasi yang serius atau fatal. Disebabkan oleh protozoa dari genus Plasmodium yang termasuk kelas Sporozoa dan empat spesies yang umum ditemukan pada manusia, yaitu Plasmodium vivax, P. malariae, P. falciparum, dan P. ovale (Yamaguchi, 1992).
Malaria tersian, yang diakibatkan oleh P. vivax adalah bentuk penyakit malaria yang paling umum. Bentuk malaria tersian yang paling berat, disebut
tersian ganas, disebabkan oleh P. falciparum. Serangan oleh spesies-spesies ini
lebih jarang dibandingkan dengan P. vivax. Malaria quartan, dengan tingkat keganasan menengah, disebabkan oleh serangan P. malariae. Malaria macam ini lebih jarang terjadi daripada tersian ganas. P. ovale mengakibatkan bentuk penyakit malaria yang jarang, yang disebut malaria tersian ovale. Malaria macam ini dalam banyak hal mirip dengan malaria tersian atau malaria P. vivax (Kier dan Roche, 1996).
Semua jenis malaria ditularkan oleh nyamuk dari genus Anopheles, dan adalah penyakit yang ganas diiringi dengan demam yang tinggi dan anemia.
Parasit malaria mengalami siklus aseksual dalam tubuh manusia dan siklus seksual dalam nyamuk. Oleh sebab itu nyamuk dan manusia merupakan hospes terakhir dan hospes perantara, untuk parasit malaria (Yamaguchi, 1992). masuk melalui gigitan nyamuk Oosit pecah Sporozoit pada Sporozoit Schizont jaringan primer kelenjar ludah
Schizont jaringan sekunder/laten (P.vivax dan P.ovale)
Schizont dikembangkan dalam sel hati Oosit tumbuh pada dinding lambung
Mature Gametosid Merozoit masuk ke sel betina darah merah Immature fertilisasi Gametosid betina
Gametosid betina Oosit masuk ke sel darah merah Merozoit zigot awal
Ookinet Immature Tropozoit
Eksflagelasi Gametosid sel pecah jantan
Gametosid Mature Mature akhir jantan Gametosid
Schizont Tropozoit
jantan
Immature SchizontSiklus seksual pada nyamuk Siklus aseksual pada manusia Gambar 1. Siklus perkembangan parasit malaria
(Siswandono dan Soekardjo, 1995) Siklus perkembangan parasit malaria dalam nyamuk Anopheles dan tubuh manusia serta tempat kerja obat antimalaria dapat dilihat pada gambar 1. Ketika nyamuk Anopheles betina (yang mengandung parasit malaria) menggigit manusia, akan keluar sporozoit dari kelenjar ludah nyamuk masuk ke dalam darah dan jaringan hati. Dalam siklus hidupnya parasit malaria membentuk stadium schizont jaringan dalam sel hati (stadium eksoeritrositik). Setelah sel hati pecah, akan keluar merozoit yang masuk ke eritrosit membentuk stadium schizont dalam eritrosit (stadium eritrositik). Di situ mulai terbentuk tropozoit muda sampai schizont tua atau matang sehingga eritrosit pecah dan keluar merozoit (Silalahi, 2004). Pada tahap terbentuknya schizont, pasien tidak mengalami gejala. Keadaan ini bertahan hingga schizont pecah, dan melepaskan kembali merozoit beserta pirogen ke dalam darah. Secara klinis, tahap ini ditandai dengan gejala menggigil (DiPalma, 1990). Sebagian besar merozoit masuk kembali ke eritrosit dan sebagian kecil membentuk gametosit jantan dan betina yang siap untuk diisap nyamuk malaria betina dan melanjutkan siklus hidupnya di tubuh nyamuk (stadium sporogoni) (Silalahi, 2004).
Di dalam lambung nyamuk, terjadi perkawinan antara sel gamet jantan (mikro gamet) dan sel gamet betina (makro gamet) yang disebut zigot (Silalahi, 2004). Zigot berkembang membentuk oosit (strukturnya bulat dan berada di dinding luar lambung). Oosit kemudian berkembang menjadi sporozoit dan dilepaskan ke dalam rongga perut nyamuk, lalu berpindah ke kelenjar ludah. Dari kelenjar ludah, sporozoit siap dipindahkan dan menginfeksi manusia yang digigit oleh nyamuk Anopheles betina (siklus berjalan kembali) (Williams dan Lemke, 2002).
Khusus P. vivax dan P. ovale pada siklus parasitnya, di jaringan hati (schizont jaringan) sebagian parasit yang berada dalam sel hati tidak melanjutkan siklusnya ke sel eritrosit, akan tetapi tertanam di jaringan hati disebut hipnosoit.
Bentuk hipnosoit inilah yang menyebabkan malaria relapse. Pada penderita yang mengandung hipnosoit, apabila suatu saat dalam keadaan daya tahan tubuh menurun, misalnya akibat terlalu lelah, sibuk, stress atau perubahan iklim (musim hujan), hipnosoit dalam tubuhnya akan terangsang untuk melanjutkan siklus parasit dari sel hati ke eritrosit. Setelah eritrosit yang berparasit pecah, akan timbul kembali gejala penyakit. Misalnya 1–2 tahun sebelumnya pernah menderita P. Vivax / P. ovale dan sembuh setelah diobati, bila kemudian mengalami kelelahan atau stress, gejala malaria akan muncul kembali, sekalipun yang bersangkutan tidak digigit nyamuk Anopheles (Silalahi, 2004).
B. Pengelompokan Senyawa Antimalaria
Obat antimalaria adalah senyawa yang digunakan untuk pencegahan dan pengobatan malaria. Berdasarkan kerja utamanya, obat antimalaria dapat dibedakan dalam kelompok berikut: Skizontosida jaringan yang menghambat perkembangan bentuk eksoeritrositik, Skizontosida darah yang menekan perbanyakan parasit dalam eritrosit, Sporontosida yang mencegah pengembangan parasit dalam Anopheles (Mutschler, 1991). Menurut Siswandono dan Soekardjo (1995) terdapat kelompok antimalaria selain yang telah disebutkan di atas, yaitu: Skisontisida jaringan yang digunakan untuk kekambuhan, Gametositosida, dan Sporozoitosida.
Berdasarkan perkembangan dan siklus kehidupan parasit dimana obat bekerja atau berdasarkan cara kerjanya, antimalaria dikelompokkan sebagai berikut :
1. Schizontisida jaringan untuk pencegahan kausal Antimalaria kelompok ini menghancurkan bentuk jaringan primer plasmodia dan merozoit di hati, mulai dari tahap infeksi eritrositik, kemudian mencegah invasi eritrosit dan penyebaran infeksi ke nyamuk Anopheles. Contoh antimalaria kelompok ini adalah klorguanid, pirimetamin, dan primakuin (Siswandono dan Soekardjo, 1995). Klorguanid atau nama lainnya adalah proguanil, merupakan prototipe dari kelompok ini. Klorguanid telah digunakan secara luas untuk pencegahan kausal malaria yang disebabkan oleh
P. falciparum. Antimalaria ini mengalami masalah resistensi, namun tetap
memberikan proteksi jika dikombinasikan dengan obat lain. Meskipun primakuin juga memiliki aktivitas terhadap P. falciparum, antimalaria ini memiliki potensi toksik yang tinggi dan digunakan untuk aplikasi klinis yang lain (Tracy dan Webster, 2001).
2. Schizontisida jaringan untuk mencegah kekambuhan Antimalaria ini bekerja pada bentuk schizont di jaringan laten, jaringan sekunder atau hipnozoit dari P. vivax dan P. ovale di sel hati. Contoh antimalaria kelompok ini adalah primakuin dan pirimetamin (Siswandono dan Soekardjo, 1995). Kelompok antimalaria ini digunakan untuk pencegahan terminal dan untuk penyembuhan radikal dari infeksi malaria kambuhan.
Primakuin adalah antimalaria prototipe yang digunakan untuk mencegah kekambuhan, yaitu menyembuhkan infeksi eritrositik dari jaringan laten plasmodia (Tracy dan Webster, 2001).
3. Schizontisida darah untuk pengobatan klinis dan supresif Menurut Korolkovas dan Burckhalter (1976), antimalaria dapat memberikan efek sebagai supresi atau pencegahan klinis, yaitu pencegahan dari gejala klinis dengan bekerja pada bentuk aseksual parasit dalam darah. Kerja ini dapat bersifat sementara atau permanen. Antimalaria kelompok ini bekerja terhadap merozoit pada fase eritrositik aseksual dari plasmodia malaria dan mengganggu schizogoni eritrositik ke bawah, sehingga serangan klinis tidak terjadi. Antimalaria ini juga digunakan dalam terapi penyembuhan supresif untuk eliminasi plasmodia secara lengkap. Kecuali primakuin, hampir semua antimalaria yang digunakan secara klinis dikembangkan aktivitasnya terhadap fase aseksual plasmodia. Berdasarkan masa kerjanya kelompok antimalaria ini dibagi menjadi dua, yaitu : a. Schizontosida yang bekerja secara cepat
Contoh : amodiakuin, artemisinin, klorokuin, kuinin, kuinidin, meflokuin, dan atovaquon b. Schizontosida yang bekerja secara lambat
Contoh : pirimetamin, klorguanid, sikloguanil pamoat, sulfonamida, dan sulfon (Siswandono dan Soekardjo, 1995; Tracy dan Webster, 2001)
4. Gametositosida Antimalaria kelompok ini menghancurkan bentuk eritrositik seksual
(gametosit) dari plasmodia malaria sehingga mencegah penyebaran plasmodia ke nyamuk Anopheles (Siswandono dan Soekardjo, 1995). Klorokuin dan kuinin memiliki aktivitas gametosidal terhadap P. vivax, P. ovale, dan P.
malariae, tetapi tidak untuk P. falciparum. Primakuin memiliki aktivitas
gametosidal pada semua plasmodia termasuk P. falciparum (Kakkilaya, 2006).
5. Sporozoitosida Antimalaria kelompok ini mampu membunuh sporozoit segera setelah masuk dalam darah sesudah gigitan nyamuk. Waktu antimalaria ini untuk bekerja sangat singkat oleh karena sporozoit secara cepat masuk ke sel hati sehingga banyak antimalaria kurang efektif terhadap bentu sporozoit tersebut.
Contoh antimalaria kelompok ini adalah klorguanid, pirimetamin, dan primakuin (Siswandono dan Soekardjo, 1995).
6. Sporontosida Antimalaria kelompok ini bekerja pada tubuh nyamuk malaria yang menginfeksi tuan rumah yaitu dengan mencegah pembentukan oosit dan sporozoit. Contoh : pirimetamin, klorguanid, dan primakuin (Siswandono dan Soekardjo, 1995).
Berdasarkan struktur kimianya, antimalaria dibagi menjadi 8 kelompok, yaitu turunan 9-aminoakridin, 4-aminokuinolin, 8-aminokuinolin, biguanida, diaminopiridin, kuinolinometanol, sulfonamida, dan sulfon.
1. Turunan 9-aminoakridin Contoh turunan 9-aminoakridin adalah kuinakrin-HCl yang bekerja sebagai schizontosida eritrositik, sekarang jarang digunakan sebagai antimalaria karena tersedia obat yang lebih aktif dengan toksisitas lebih rendah (Siswandono dan Soekardjo, 1995). Turunan 9-aminoakridin, melibatkan sistem cincin datar yang dimiliki oleh senyawa tersebut. Cincin datar yang dimiliki oleh turunan 9-aminoakridin adalah cincin akridin. Sistem cincin datar memungkinkan senyawa-senyawa tersebut dapat berinterkalasi di antara pasangan basa dobel heliks asam deoksiribonukleat (ADN) dan membentuk kompleks obat-ADN. Kompleks obat-ADN diperkuat dengan adanya ikatan rantai samping yaitu gugus amin tersier terprotonasi yang dapat berikatan secara ionik dengan gugus fosfat yang bermuatan negatif (Korolkovas dan Burckhalter, 1976). Dengan terbentuknya kompleks obat- ADN, maka transkripsi dan translasi ADN menjadi asam ribonukleat (ARN) akan terhambat. Hal ini akan mengurangi sintesis ADN dan ARN (DiPalma, 1990)
Mekanisme kerja turunan 9-aminokuinolin juga melibatkan lisosom (vakuola makanan) plasmodia yang terdapat dalam sel darah merah (Block, 2004). Bentuk aseksual plasmodia malaria dapat tumbuh dalam sel darah merah dengan mencerna hemoglobin dalam vakuola makanan yang bersuasana asam. Hemoglobin merupakan nukleoprotein bagi plasmodia. Proses pencernaan hemoglobin menghasilkan radikal bebas dan heme (ferriprotophyrin IX) sebagai produk yang sangat reaktif. Dalam proses nukleasi terjadi penambahan histidin dan mungkin beberapa lipid. Heme kemudian berpolimerisasi menjadi pigmen malaria yang inaktif dan tidak larut. Pigmen ini dinamakan hemozoin. Turunan 9-aminoakridin merupakan schizontosida darah yang bertindak sebagai basa lemah yang terkonsentrasi dalam vakuola makanan plasmodia yang bersuasana asam (Tracy dan Webster, 2001). Senyawa-senyawa ini kemudian mengalami protonasi, meningkatkan pH intravakuolar, dan terjebak di dalam vakuola makanan karena pori-pori membran vakuola juga bermuatan positif. Kondisi ini mempertahankan keberadaan senyawa-senyawa turunan 9-aminoakridin dalam hemoglobin penderita (Block, 2004). Dengan keberadaan senyawa- senyawa tersebut dalam hemoglobin penderita, maka aktivitas peroksidatif heme akan terhambat dan polimerisasi nonenzimatik heme menjadi hemozoin akan terganggu (Tracy dan Webster, 2001). Keadaan ini akan membunuh plasmodia melalui perusakan oksidatif pada membran plasmodia dan/ atau sel darah merah, sehingga membran mengalami lisis (Block, 2004).
Turunan 9-aminoakridin bersifat sangat toksik dan telah banyak digantikan oleh senyawa-senyawa aminokuinolin. Toksisitasnya meliputi reaksi obat pada sistem saraf pusat, darah, dan reaksi obat yang fatal. Efek tokisknya meliputi kejang, reaksi psikotomimetik, anemia aplastik, dan dermatitis eksfoliatif (Kier dan Roche, 1996). H C C C H H H 2 2 H CO H C 3 N C NH CH H 2 2 CH Cl 3 3 N Cl
Gambar 2. Struktur kuinakrin HCl
2. Turunan 4-aminokuinolin Struktur dasar dari antimalaria turunan 4-aminokuinolin disajikan pada gambar 3. HN R 2
5
4 R 1
3 Cl N
7
8
1 Gambar 3. Struktur dasar senyawa 4-aminokuinolin
Turunan 4-aminokuinolin mempunyai aktivitas antimalaria yang lebih tinggi dibanding kuinin atau 9-aminoakridin. Karakteristik antimalaria turunan 4-aminokuinolin mempunyai sistem cincin kuinolin datar. Pada atom C nomor 4 terdapat gugus amin sekunder yang terikat oleh cincin kuinolin dan rantai samping. Pada atom C nomor 7 terdapat substituen Cl yang menunjukkan aktivitas yang optimal. Gugus amin tersier pada cincin kuinolin juga sangat penting berperan dalam aktivitasnya sebagai antimalaria. Contoh senyawa turunan 4-aminokuinolin adalah amodiakuin HCl, klorokuin fosfat, hidroksiklorokuin, dan sontokuin. Perbedaan struktur pada senyawa-senyawa turunan 4-aminokuinolin ini terdapat pada rantai samping yaitu R
1 dan R 2 .
Dari turunan 4-aminokuinolin, klorokuin (gambar 4) menunjukkan aktivitas yang optimal (Siswandono dan Soekardjo, 1995).