PENAPISAN FITOKIMIA INDONESIA SEBAGAI AGONIS RESEPTOR GLUCAGON-LIKE PEPTIDE-1 IN SILICO PADA DIABETES MELITUS
TIPE-2
SKRIPSI
Untuk Memenuhi Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Kedokteran
HUMAMUDDIN G0013114
FAKULTAS KEDOKTERAN UNIVERSITAS SEBELAS MARET
ii
PENGESAHAN SKRIPSI
Skripsi dengan judul: Penapisan Fitokimia Indonesia Sebagai Agonis Reseptor Glucagon-Like Peptide-1 In Silico pada Diabetes Melitus Tipe-2
Humamuddin, NIM: G0013114, Tahun: 2016
Telah diuji dan sudah disahkan di hadapan Dewan Penguji Skripsi Fakultas Kedokteran Universitas Sebelas Maret
Pada Hari Jumat, 20 Januari 2017
Pembimbing Utama
Nama : R.Aj. Sri Wulandari, dr., M.Sc
NIP : 19780503 200608 2 001 (………..)
Pembimbing Pendamping
Nama : Yuliana Heri Suselo, dr., M.Sc
NIP : 19800718 200604 2 001 (………..)
Penguji Utama
Nama : Dono Indarto, dr., M.Biotech, St.Ph.D, AIFM
NIP : 19670104 199601 1 001 (………..)
Surakarta, ...
Ketua Tim Skripsi Kepala Program Studi
Kusmadewi Eka Damayanti, dr., M.Gizi Sinu Andhi Jusup, dr., M.Kes
iii
PERNYATAAN
Dengan ini menyatakan bahwa dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan penulis tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Surakarta, 28 Desember 2016
Humamuddin
iv ABSTRAK
Humamuddin, G0013114, 2016. Penapisan Fitokimia Indonesia Sebagai Agonis Reseptor Glucagon-Like Peptide-1 In Silico pada Diabetes Melitus Tipe-2. Skripsi. Fakultas Kedokteran, Universitas Sebelas Maret, Surakarta.
Latar Belakang: Prevalensi diabetes melitus (DM) terus meningkat di dunia, sedangkan terapi DM menggunakan obat oral antidiabetik (OAD) belum efektif. Agonis GLP-1R merupakan obat DM yang banyak dikembangkan karena dapat menurunkan kadar gula darah tanpa efek hipoglikemia. Namun, agonis GLP-1R memiliki efek samping berat seperti pankreatitis, kanker tiroid, dan kanker pankreas. Indonesia memiliki 9.600 spesies tanaman yang beberapa diantaranya memiliki efek farmakologis sehingga berpotensi dikembangkan sebagai obat. Penelitian ini bertujuan mengidentifikasi fitokimia Indonesia yang memiliki aktivitas sebagai agonis GLP-1R secara in silico
Metode Penelitian: Penelitian ini adalah penelitian bioinformatika. Sampel penelitian berupa 517 senyawa herbal di Indonesia yang memenuhi kriteria Lipinski dari total 6.776 senyawa aktif pada database HerbalDB. Senyawa standar yang digunakan adalah potongan residu Exendin-4. Struktur Exendin-4 yang berikatan dengan GLP-1R diperoleh dari Protein Data Bank dengan kode: 3C5T. Validasi potongan Exendin-4 dengan GLP-1R dilakukan untuk mendapatkan skor docking dan lokasi ikatannya pada GLP-1R. Molecular docking antara senyawa fitokimia dengan GLP-1R dilakukan dengan Autodock Vina 1.1.2. Visualisasi hasil docking dilakukan dengan Pymol 1.7.4. Kandidat agonis GLP-1R dianalisis berdasarkan skor docking, kesamaan lokasi ikatan dan kriteria Lipinski’s rule of five.
Hasil Penelitian: Boeravinon F, Luteolin, Scoulerine, dan Cleomiscosin D merupakan 4 fitokimia terpilih yang paling berpotensi menjadi agonis GLP-1R berdasarkan analisis skor docking dan kesamaan lokasi ikatan dengan potongan Exendin-4. Boeravinon F berikatan pada Leu32, Glu127, dan Glu68 dengan skor docking -5,4 kkal/mol, -6,7 kkal/mol, dan -4,28 kkal/mol secara berurutan. Luteolin berikatan pada Leu32, Glu127, dan Glu68 dengan skor docking -5,2 kkal/mol, -6,34 kkal/mol, dan -4,22 kkal/mol secara berurutan. Scoulerine berikatan pada Leu32, Glu128, dan Glu127 dengan skor docking 5,18 kkal/mol, -5,86 kkal/mol, dan -6,3 kkal/mol secara berurutan. Cleomiscosin D berikatan pada Glu128, Glu127, dan Glu68 dengan skor docking 5,8 kkal/mol, 6,36 kkal/mol, dan -3,72 kkal/mol secara berurutan.
v ABSTRACT
Humamuddin, G013114, 2016. Screening of Indonesian Pythochemicals as Glucagon-Like Peptide-1 Receptor Agonist In Silico in Type-2 Diabetes Mellitus. Mini Thesis, Faculty of Medicine, Sebelas Maret University, Surakarta.
Background: Prevalence of diabetes mellitus (DM) continues to rise in the world, while DM therapy using oral antidiabetic drug (OAD) was still not effective. GLP-1R agonist was a drug that has been developed because it can lower blood sugar levels without hypoglycemic effect. However, GLP-1R agonists have severe side effects such as pancreatitis, thyroid cancer, and pancreatic cancer. Indonesia has 9,600 herbal plants, some of which have a pharmacological effect that could potentially be developed as a drug. This study aimed to identify the Indonesian pythochemicals that have activity as GLP-1R agonist in silico.
Methods: The research was a bioinformatics study which utilized all phytochemicals in HerbalDB that had PubChem access code and met the criteria for Lipinski's rule of five as sample. Truncated Exendin-4 was used as standard compound. The structure of Exendin-4 bound to GLP-1R was obtained from the Protein Data Bank, code: 3C5T. Validation of truncated Exendin-4 with GLP-1R needed to get docking scores and binding site at GLP-1R. Molecular docking between phytochemical compounds with GLP-1R models was done using AutodockVina 1.1.2. Visualization of docking results was done using PyMOL 1.7.4. GLP-1R agonist candidates were analyzed based on binding affinity, binding site similarity, and Lipinski's rule of five criterias.
Results: Boeravinon F, Scoulerine, Luteolin, and Cleomiscosin D were four selected phytochemicals of the most potentially as GLP-1R agonist based on analysis of docking scores and binding site similarity with truncated Exendin-4. Boeravinon F bound to Leu32, Glu127, and Glu68 with docking scores of -5.4 kcal/mol, 6.7 kcal/mol, and -4.28 kcal/mol, respectively. Luteolin bound to Leu32, Glu127, and Glu68 with docking scores of -5.2 kcal/mol, -6.34 kcal/mol, and -4.22 kcal/mol, respectively. Scoulerine bound to Leu32, Glu128, and Glu127 with docking score of -5.18 kcal/mol, -5.86 kcal/mol and -6.3 kcal/mol, respectively. Cleomiscosin D bound to the Glu128, Glu127, and Glu68 with docking scores of -5.8 kcal/mol, -6.36 kcal/mol, and -3.72 kcal/ mol, respectively.
Conclusion: Boeravinon F, Scoulerine, Luteolin, and Cleomiscosin D were the most potent Indonesian phytochemicals that could be a GLP-1R agonist in silico.
vi PRAKATA
Alhamdulillah segala puji hanya milik Allah atas berbagai limpahan rahmat dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan penelitian dengan judul “Penapisan Fitokimia Indonesia Sebagai Agonis Reseptor Glucagon-Like Peptide-1 In Silico pada Diabetes Melitus Tipe-2”. Penelitian ini merupakan salah satu persyaratan dalam menyelesaikan Program Sarjana Kedokteran di Fakultas Kedokteran Universitas Sebelas Maret Surakarta.
Penelitian ini dapat terlaksana dengan baik berkat adanya bimbingan, kerja sama, dan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis menyampaikan ucapan terimakasih dan penghargaan kepada :
1. Allah Subhaanahu wa Ta’ala, karena berkat karunia-Nya lah, penulis bisa menyelesaikan penelitian skripsi ini.
2. Prof. Dr. Hartono, dr., M.Si, selaku Dekan Fakultas Kedokteran Universitas Sebelas Maret Surakarta
3. Sinu Andhi Jusup, dr., M.Kes, selaku Ketua Program Studi Kedokteran Fakultas Kedokteran Universitas Sebelas Maret Surakarta.
4. Kusmadewi Eka Damayanti, dr., M.Gizi, selaku Ketua Tim Skripsi Fakultas Kedokteran Universitas Sebelas Maret Surakarta.
5. R.Aj. Sri Wulandari, dr., M.Sc, selaku Pembimbing Utama dan Yuliana Heri Suselo, dr., M.Sc, selaku Pembimbing Pendamping yang telah menyediakan waktu untuk membimbing hingga selesainya skripsi ini.
6. Dono Indarto, dr., M.Biotech, St.Ph.D, AIFM, selaku Penguji yang banyak memberikan saran dan kritik dalam penulisan skripsi ini.
7. Kedua orangtua saya tercinta, Bapak Almarhum Drs. Noor Hadi, M.Ag, M.Pd, dan Ibu Siti Soekiswati, dr., M.H, serta adik-adik saya Khoirul Fahmi, Amila Dina, Izzuddin Baqi, Lisanul Latifah, dan Naila Husna yang senantiasa memberikan motivasi, nasihat, cinta, perhatian, kasih sayang dan doa yang tak henti-hentinya.
8. Arifin, Khariz, Kamil, Adam, Andre, dan teman-teman Tim moldock lainnya, Alim, Brilli, Hendri, Lutfir, dan teman-teman SKI lainnya, teman-teman di kelompok tutorial yang banyak memberikan bantuan saya dalam berproses, serta teman-teman Asisten Patologi Anatomi yang juga memberikan dukungan dalam menyelesaikan penelitian ini.
9. Semua pihak yang secara langsung maupun tidak langsung membantu proses penelitian tugas karya akhir ini yang tidak mungkin disebutkan satu - persatu.
Meskipun tulisan ini masih jauh dari kata sempurna, penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat bagi pembaca.
Surakarta, 26 Desember 2016
vii DAFTAR ISI
PRAKATA ... vi
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR TABEL ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xiii
DAFTAR LAMPIRAN ... xv
BAB I. PENDAHULUAN ... 1
A. Latar Belakang Masalah ... 1
B. Perumusan Masalah ... 5
C. Tujuan Penelitian ... ... 5
D. Manfaat Penelitian ... 5
BAB II. LANDASAN TEORI ... 6
A. Tinjauan Pustaka ... 6
1. Diabetes Melitus ... 6
a. Gambaran Umum ... 6
b. Penatalaksanaan DM tipe 2 ... 7
1) Edukasi ... 7
2) Terapi Nutrisi Medis ... 8
3) Latihan Jasmani ... 9
4) Intervensi Farmakologis ... 9
a) Peningkat sensitivitas terhadap insulin ... 9
viii
(2) Thiazolidinedione (TZD) ... 11
b) Pemacu sekresi insulin (insulin secretagogue) ... 12
(1) Sulfonilurea ... 12
(2) Glinid (meglitinide) ... 13
c) Penghambat α-glukosidase ... 14
d) Penghambat Dipeptidyl Peptidase-4 (DPP-4) ... 15
e) Penghambat Sodium Glucose Co-transporter 2 ... 16
f) Insulin ... 16
g) Agonis reseptor GLP-1 ... 18
c. Target Terapi Pada DM Tipe 2 ... 19
2. Memori Glucagon-Like Peptide-1 (GLP-1) ... 20
a. Gambaran Umum... 20
b. Struktur GLP-1 dan Interaksinya dengan Reseptor GLP-1 23 3. Reseptor GLP-1 ... 25
a. Gambaran Umum... 25
b. Struktur Reseptor GLP-1 ... 26
4. Agonis Reseptor GLP-1 ... 28
5. Tanaman Herbal di Indonesia ... 32
6. Molecular Docking ... 33
a. Gambaran Umum... 33
b. Metode Molecular Docking ... 34
1) Rigid Ligan dan Rigid Receptor ... 34
ix
3) Flexible Ligan dan Flexible Receptor ... 35
c. Penentuan Afinitas Ikatan Dua Molekul ... 35
d. Lipinski’s Rule of Five ... 37
e. Program Molecular Docking AutoDock Vina ... 38
1) AutoDock Vina ... 38
2) iGEMDOCK ... 38
3) Molegro Virtual Docker (MolDock) ... 39
f. Aplikasi Molecular Docking pada Pengembangan Obat ... 39
B. Kerangka Pemikiran ... 40
C. Hipotesis ... 41
BAB III. METODE PENELITIAN ... ... 42
A. Jenis Penelitian... ... 42
B. Tempat dan Waktu Penelitian ... 42
C. Sampel Penelitian ... 42
D. Identifikasi Variabel ... 43
E. Definisi Operasional Variabel ... 43
F. Instrumen Penelitian... 44
G. Cara Kerja Penelitian ... 45
H. Teknik Analisis Data ... 49
I. Rancangan Penelitian ... 50
BAB IV. HASIL PENELITIAN ... 51
x
B. Analisis Skor dan Lokasi Ikatan pada Fitokimia Hasil Molecular
Docking dengan GLP-1R ... 60
BAB V. PEMBAHASAN ... 82
A. Pemilihan Lokasi Pemotongan Residu dan Validasi Exendin-4 ... 82
B. Analisis Hasil Docking Senyawa Fitokimia ... 85
1. Analisis Skor Docking ... 86
2. Analisis Hasil Interaksi Ikatan Molecular Docking ... 88
3. Analisis Kriteria Lipinski’s Rule of Five ... 91
C. Potensi Terapeutik 13 Senyawa Fitokimia yang Diprediksi sebagai Agonis GLP-1R ... 95
D. Keterbatasan Penelitian ... 104
BAB VI. SIMPULAN DAN SARAN ... 105
A. Simpulan ... 105
B. Saran ... 105
xi
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Klasifikasi Diabetes Melitus ... 6
Tabel 2.2. Lokasi Ikatan GLP-1 dan Exendin-4 dengan GLP-1R ... 30
Tabel 2.3. Program Molecular Docking dan Aplikasinya ... 39
Tabel 3.1. Lokasi Pemotongan Residu Exendin-4... 46
Tabel 3.2. Penentuan Kotak Grid Senyawa Standar Exendin-4 ... 47
Tabel 4.1. Variasi Pemotongan Exendin-4, Karakteristik, dan Lokasi Ikatannya Sebelum dan Setelah Proses Docking... 52
Tabel 4.2. Hasil Validasi Molecular Docking Standar 1 (Gln13-Xn-Glu17) ... 54
Tabel 4.3. Hasil Validasi Molecular Docking Standar 2 (Glu17-Xn-Arg20) ... 55
Tabel 4.4. Hasil Validasi Molecular Docking Standar 3 (Leu26 dan Lys27) ... 56
Tabel 4.5. Hasil Validasi Molecular Docking Standar 4 (Pro31 dan Ser32) ... 57
Tabel 4.6. Interaksi Atom Antara Keempat Standar dengan GLP-1R Beserta Karakteristiknya ... 58
Tabel 4.7.1. Fitokimia dengan 3 Lokasi Ikatan Sama Dibandingkan Exendin-4 Beserta Karakteristiknya ... 61
Tabel 4.7.2. Fitokimia dengan 3 Lokasi Ikatan Sama Dibandingkan Exendin-4 Beserta Karakteristiknya (Lanjutan) ... 62
Tabel 4.8. Interaksi Atom (IA) dan Jenis Ikatan (JI) pada 10 Fitokimia Dibandingkan Keempat Potongan Exendin-4 ... 74 Tabel 4.9. Tiga Fitokimia dengan Skor Docking Terendah yang Memiliki
xii
Beserta Karakteristiknya. ... 77 Tabel 4.10. Interaksi Atom (IA) dan Jenis Ikatan (JI) pada 3 Fitokimia dengan
2 Kesamaan Lokasi Ikatan Dibandingkan Keempat Potongan
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Mekanisme Sekresi Insulin yang Diperantarai oleh GLP-1 ... 23
Gambar 2.2. Struktur residu GLP-1 ... 24
Gambar 2.3. Interaksi GLP-1 dengan GLP-1R... 26
Gambar 2.4. Struktur GLP-1 Berikatan dengan GLP-1R ... 27
Gambar 2.5. Struktur Exendin-4 dan sequence alignment GLP-1 dengan Exendin-4 ... 29
Gambar 2.6. Interaksi Antara Exendin-4 dengan Reseptor GLP-1 ... 31
Gambar 2.7. Skema Kerangka Pemikiran ... 40
Gambar 3.1. Skema Rancangan Penelitian ... 50
Gambar 4.1. Visualisasi Hasil Docking Standar 1 dengan GLP-1R ... 54
Gambar 4.2. Visualisasi Hasil Docking Standar 2 dengan GLP-1R ... 55
Gambar 4.3. Visualisasi Hasil Docking Standar 3 dengan GLP-1R ... 56
Gambar 4.4. Visualisasi Hasil Docking Standar 4 dengan GLP-1R ... 57
Gambar 4.5. Visualisasi Hasil Docking Cleomiscosin D-GLP-1R ... 64
Gambar 4.6. Visualisasi Hasil Docking Artocarpesin-GLP-1R ... 65
Gambar 4.7. Visualisasi Hasil Docking Boeravinone F-GLP-1R ... 66
Gambar 4.8. Visualisasi Hasil Docking Aureusidin-GLP-1R... 67
Gambar 4.9. Visualisasi Hasil Docking Scoulerine-GLP-1R ... 68
Gambar 4.10. Visualisasi Hasil Docking Luteolin-GLP-1R ... 69
Gambar 4.11. Visualisasi Hasil Docking Isorhamnetin-GLP-1R ... 70
Gambar 4.12. Visualisasi Hasil Docking Kaempferol-GLP-1R... 71
xiv
Gambar 4.14. Visualisasi Hasil Docking Wighteone-GLP-1R ... 73
Gambar 4.15. Visualisasi Hasil Docking Liriodenine-GLP-1R ... 78
Gambar 4.16. Visualisasi Hasil Docking Withanolide-GLP-1R... 79
xv
DAFTAR SINGKATAN
7TM : Seven-Transmembrane Helix
AC : Adenylyl Cyclase
Ala : Alanine
AMP : Adenosine Monophosphate
AMPK : Adenosine Monophosphate-Activated Protein Kinase
Arg : Arginine
Asn : Asparagine
Asp : Aspartate
ATP : Adenosine Triphosphate
BMI : Body Mass Index
cAMP : Cyclic Adenosine Monophosphate
cAMP-GEF : cAMP-Regulated Guanine Nucleotide Exchange Factor
CVD : Cardiovasular Disease
Cys : Cysteine
DE : Differential Evolution
DM : Diabetes Melitus
DNA : Deoxyribonucleic Acid DPP-4 : Dipeptidyl-Peptidase-4
EA : Evolutionary Algorithm
ECD : Extracellular N-Terminal Domain
ER : Retikulum Endoplasma
xvi
Gln : Glutamine
GLP-1 : Glucagon-Like Peptide-1
GLP-1R : Reseptor Glucagon-Like Peptide-1
Glu : Glutamate
GLUT : Glucose Transporter
Gly : Glycine
GPCR : G-Protein-Coupled Receptor
HbA1c : Hemoglobin A1c
HCV : Hepatitis C Virus
HDL : High-Density Lipoproteins His : Histidine
HTS : High-Throughput Screening
Ile : Isoleucine
ILS : Iterated Local Search
KATP Channel : ATP-sensitive K+ Channel Kv Channel : Voltage-Dependent K+Channel LBVS : Ligan-Based Virtual Screening LDL : Low-Density Lipoprotein
Leu : Leucine
Lys : Lysine
MD : Molecular Dynamics
Met : Methionine
xvii
NYHA : New York Heart Association OAD : Oral Antidiabetik
OCT : Organic Cation Transporter
PDB : Protein Data Bank
Phe : Phenylalanine PKA : Protein Kinase A
PLP : Piecewise Linear Potential
PMAT : Plasma Membrane Monoamine Transporter PPAR-γ : Peroxisome Proliferator-Activated Receptor-γ PPOK : Penyakit Paru Obstruktif Kronis
Pro : Proline
QSAR : Quantitative Stucture Activity Relationship RMSD : Root Mean Square Deviation
RXR : Retinoic X Receptor
sAC : Soluble Adenylyl Cyclase
SBVS : Structure-Based Virtual Screening
Ser : Serine
SGLT-2 : Sodium-Glucose Cotransporter 2 TCM : Traditional Chinese Medicine
Thr : Threonine
TMD : Transmembrane α-helix Domain TNM : Terapi Nutrisi Medis
xviii
Tyr : Tyrosine
TZD : Thiazolidinedione
Val : Valine
xix
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1. Hasil Molecular Docking 162 Fitokimia dengan Skor Lebih
Rendah atau Sama dengan Standar 1...124 Lampiran 2. Skor dan Lokasi Ikatan Hasil Docking dengan Standar 1 ...128 Lampiran 3. Daftar 44 Senyawa Fitokimia Hasil Molecular Docking
dengan Skor Lebih Rendah atau Sama dengan Standar 2 ...129 Lampiran 4. Skor dan Lokasi Ikatan Hasil Docking dengan Standar 2 ...130 Lampiran 5. 159 Senyawa Fitokimia Hasil Molecular Docking dengan
Skor Lebih Rendah atau Sama dengan Standar 3 ...131 Lampiran 6. 36 Senyawa Fitokimia Hasil Docking yang Memiliki Lokasi
Ikatan Sama dengan Standar 3 ...135 Lampiran 7. 355 Senyawa Fitokimia Hasil Molecular Docking dengan
Skor Lebih Rendah atau Sama dengan Standar 4 ...136 Lampiran 8. 144 Senyawa Fitokimia Hasil Docking yang Memiliki Lokasi
Ikatan Sama dengan Standar 4 ...144 Lampiran 9. 44 Senyawa Fitokimia yang Berikatan pada 2 Lokasi Ikatan
Sama Dibandingkan Residu Standar Exendin-4 Beserta
Karakteristiknya ...148 Lampiran 10. Daftar Senyawa Fitokimia yang Berikatan pada 1 Lokasi
Ikatan Sama Dibandingkan Residu Standar Exendin-4 dan
Residu Asam Amino Arg121 Beserta Karakteristiknya ...151 Lampiran 11. 101 Senyawa Fitokimia yang Memiliki 1 Kesamaan Lokasi
