Hubungan Kuantitatif Struktur Aktivitas iai
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
Log P, (log P)
π, π 2
f
ƒ
Rm
Δ Rm
Logaritma koefisien partisi
Tetapan substituen hidrofobik Hansch-Fujita
Tetapan fragmentasi Rekker-Mannhold
log P = Σ π
π X = log PSX - log PSH
log P = Σ f
Tetapan fragmentasi Hansch-Leo
Parameter kromatografi
δ , log δ
Parameter kromatografi substituen
log Sw
Logaritma kelarutan dalam air
Rm = log { (1/R f ) - 1 }
Δ Rm = R m (RX) - Rm (RH)
Parameter kelarutan
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
μ
Polarisabilitas elektronik
α
Δ ppm
Δ ν
Ε
Dipol momen elektrik
Pergeseran kimia spektra NMR
Pergeseran kimia spektra IR
Potensial redoks
Tetapan reaksi
Sifat organik fisik
B. Parameter semi teoritis
σ, σ
2
σm
Tetapan elektronik Hammett
Efek elektronik substituen pada posisi meta
σp
σI
σ*
Tetapan substituen polar Taft
F
Tetapan induktif field
R
Tetapan resonansi
ER
Tetapan reaksi homolitik
Efek elektronik substituen pada posisi para
Tetapan induktif alifatik Taft
C. Parameter teori orbital molekul
Total energi elektron dalam molekul
Etot
EHO MO
ELEMO
ε
q
Sr
σX = pKaSX - pKaSH
Kemampuan donor elektron total molekul
Kemampuan aseptor elektron total molekul
σi = 1/2 ( 3 σp - σm )
σ
*
= 2,51 σi
σ = aF + bR
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
[P] = BM x (γ )
1/4
/ (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
log 1/C = a (π ) + b π + c σ + d
2
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
No.
R
σ
π
1
-NO2
0,71
2
-CN
3
4
CHCl 2
CH2 O H
Log A
(pengamatan)
Log A
(perhitungan)
0,06
2,00
1,77
0,68
-0,31
1,40
1,47
-SO2 CH3
0,65
-0,47
1,04
1,27
0,32
-0,04
1,00
0,89
5
-CO2CH3
-Cl
0,37
0,70
1,00
1,08
6
-NN-C6 H5
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.
2.
Bagian molekul non ionik yang sangat polar, dengan nilai π (-) besar.
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
CH3
(+) 1,00
(+) 2,30
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.
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
Log P, (log P)
π, π 2
f
ƒ
Rm
Δ Rm
Logaritma koefisien partisi
Tetapan substituen hidrofobik Hansch-Fujita
Tetapan fragmentasi Rekker-Mannhold
log P = Σ π
π X = log PSX - log PSH
log P = Σ f
Tetapan fragmentasi Hansch-Leo
Parameter kromatografi
δ , log δ
Parameter kromatografi substituen
log Sw
Logaritma kelarutan dalam air
Rm = log { (1/R f ) - 1 }
Δ Rm = R m (RX) - Rm (RH)
Parameter kelarutan
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
μ
Polarisabilitas elektronik
α
Δ ppm
Δ ν
Ε
Dipol momen elektrik
Pergeseran kimia spektra NMR
Pergeseran kimia spektra IR
Potensial redoks
Tetapan reaksi
Sifat organik fisik
B. Parameter semi teoritis
σ, σ
2
σm
Tetapan elektronik Hammett
Efek elektronik substituen pada posisi meta
σp
σI
σ*
Tetapan substituen polar Taft
F
Tetapan induktif field
R
Tetapan resonansi
ER
Tetapan reaksi homolitik
Efek elektronik substituen pada posisi para
Tetapan induktif alifatik Taft
C. Parameter teori orbital molekul
Total energi elektron dalam molekul
Etot
EHO MO
ELEMO
ε
q
Sr
σX = pKaSX - pKaSH
Kemampuan donor elektron total molekul
Kemampuan aseptor elektron total molekul
σi = 1/2 ( 3 σp - σm )
σ
*
= 2,51 σi
σ = aF + bR
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
[P] = BM x (γ )
1/4
/ (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
log 1/C = a (π ) + b π + c σ + d
2
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
No.
R
σ
π
1
-NO2
0,71
2
-CN
3
4
CHCl 2
CH2 O H
Log A
(pengamatan)
Log A
(perhitungan)
0,06
2,00
1,77
0,68
-0,31
1,40
1,47
-SO2 CH3
0,65
-0,47
1,04
1,27
0,32
-0,04
1,00
0,89
5
-CO2CH3
-Cl
0,37
0,70
1,00
1,08
6
-NN-C6 H5
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.
2.
Bagian molekul non ionik yang sangat polar, dengan nilai π (-) besar.
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
CH3
(+) 1,00
(+) 2,30
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.