LAPORAN PRAKTIKUM PENGANTAR KIMIA MEDISINAL LAPORAN PRAKTIKUM PENGANTAR KIMIA MEDISINAL
SEMESTER GANJIL
SEMESTER GANJIL 2015 - 2015 - 20162016 MOLECULAR DOCKING MOLECULAR DOCKING
Hari / Jam Praktikum : Selasa / 07.00 – 10.00 Tanggal Praktikum : 7 Desember 2015 Asisten : Intan Merita
Muhammad Jajuli
MAULIDINA ATHADI GAYO MAULIDINA ATHADI GAYO
260110150157 260110150157
LABORATORIUM KIMIA MEDISINAL LABORATORIUM KIMIA MEDISINAL
FAKULTAS FARMASI FAKULTAS FARMASI UNIVERSITAS PADJADJARAN UNIVERSITAS PADJADJARAN JATINANGOR JATINANGOR 2015 2015
I. Tujuan
Menentukan besarnya energy bebas (ΔG) dan interaksi yang terjadi antara
kompleks ligand-protein hasil docking
II. Prinsip
1. Molecular Docking
Docking adalah metode untuk memprediksi orientasi yang lebih diutamakan dari suatu molekul ketika terikat satu sama lain untuk membentuk kompleks yang stabil(Mukesh & Rakesh, 2011)
III. Teori Dasar
Penambatan molekul (molecular docking) adalah metode komputasi yang bertujuan meniru peristiwa interaksi suatu molekul ligan dengan protein yang menjadi targetnya pada uji in-vitro (Motiejunas & Wade, 2006). Di dalam penambatan molekul, molekul ligan ditambatkan pada situs aktif atau situs tambat dari suatu protein yang sedang diam (statik), dengan menyertakan molekul ko-faktor dan / atau H2O di dalamnya atau tidak. Dari sini, diperoleh data mengenai posisi dan orientasi ligan-ligan itu di dalam situs aktif atau situs tambat tersebut. Dari data ini, dapat disimpulkan gugus-gugus fungsional ligan yang penting untuk interaksinya, sehingga tidak boleh dihilangkan, dan gugus-gugus fungsionalnya yang dapat ditingkatkan kekuatan interaksinya. Informasi ini menjadi petunjuk untuk modifikasi ligan tersebut. Dengan adanya petunjuk tersebut, modifikasi ligan dan uji in-vitro turunan-turunannya dapat berlangsung secara efisien(Putra, 2014)
Dalam bidang pemodelan molekul, docking adqalah metode untuk memprediksi orientasi yang lebih diutamakan dari suatu molekul ketika terikat satu sama lain untuk membentuk kompleks yang stabil. Informasi tentang
orientasi ini dapat digunakan untuk memprediksi kekuatan hubungan atau afinitas ikatan antara dua molekul yang digunakan misalnya fungsi penilaian. Hubungan antara molekul biologis yang relevan seperti protein, asam nukleat, karbohidrat, dan lipid memainkan peran sentral dalam transduksi sinyal. Selanjutnya, orientasi relative dari dua pasangan yang berinteraksi dapat mempengaruhi jenis sinyal yang dihasilkan. Oleh karena itu docking berguna untuk memprediksi baik kekuatan dan jenis sinyal yang dihasilkan. Docking sering digunakan untuk memprediksi orientasi ikatan kandidat obat bermolekul kecil terhadap target proteinnya untuk memprediksi afinitas dan aktivitas molekul kecil. Maka docking memainkan peran penting dalam desain obat secara rasional(Mukesh & Rakesh, 2011)
Interaksi ligan dengan protein di atas terjadi hanya apabila terdapat kecocokan (fit) bentuk dan volume di antara molekul ligan dan situs aktif atau situs tambat protein tersebut (Motiejunas & Wade, 2006). Selain itu, gugus-gugus fungsional pada molekul ligan itu harus berada pada posisi yang memadai dari asam-asam amino yang menjadi pasangannya pada situs aktif atau situs tambat tersebut (Schneider & Baringhaus, 2008)
Jadi, kecocokan di antara molekul ligan dan situs aktif atau situs tambat proteinnya adalah demikian spesifik, bagaikan kecocokan lubang kunci dengan anak kuncinya (lock-and-key) (Motiejunas & Wade, 2006). Untuk menuju kecocokan ini, situs aktif atau situs tambat mendesak (menginduksi) pengubahan konformasi ligan (Foloppe & Chen, 2009; Motiejunas & Wade, 2006). Bersama dengan pengubahan konformasi tersebut, dibebaskanlah
sejumlah energi yang dinamakan energi Gibbs penambatan (∆Gbind)
(Schneider & Baringhaus, 2008). Pada penambatan molekul, energi terendah
yang dibebaskan oleh ligan dianggap sebagai ∆Gbind tersebut.
Pada saat kecocokan di atas tercapai, maka konformasi yang dianut oleh molekul ligan dinamakan konformasi bioaktif (Schneider & Baringhaus, 2008).
Sedangkan, rangkaian posisi gugus fungsional yang penting dari ligan pada konformasi bioaktif itu dinamakan farmakofor (Alvarez & Shoichet, 2005).
Kelebihan metode pemodelan molekul (molecular docking) adalah dapat digunakan untuk memprediksi aktivitas suatu senyawa sebelum
dilakukan sintesis sehingga mengurangi penggunaan pelarut dan bahan bahan kimia yang dapat mencemari lingkungan. Ada beberapa program komputer yang dapat digunakan untuk molecular docking. Ada yang berbasis linux seperti Autodock Vina, dan ada yang berbasis windows seperti Autodock, ArgusLab, Lead it, Molegro Virtual Docker (MVD), ChemOffice Ultra, Hypercam, Accelrys, Discovery Studio, Molecular Operating Environment
(MOE), Maestro Schrodinger, SYBYL dan lainlain(O’Boyle et al., 2011).
IV. Alat dan Bahan
4.1.Alat a. Komputer 4.2.Bahan a. Software 4.3.Gambar alat V. Prosedur 6.1. Persiapan Reseptor
Persiapan reseptor dilakukan dengan mengunduh protein yang diinginkan yaitu 2XDE dengan mendownloadnya di situs Protein Data Bank (PDB). Kemudian protein dengan ligand dipisahkan dengan menggunakan program YASARA.
Untuk menjalankan program ini pertama – tama dilakukan dengan dibuka
program YASARA. Kemudian upload file protein yang telah disimpang dalam bentuk 2XDE.pdb. Kemudian tampilan molekul disederhanakan dengan dipilih jenis visualisasi. Kemudian, dihilangkan ligan standard dengan kode (DEX) dan kemudian disimpan dalam bentuk protein.mol2. Kemudian struktur molekul protein dengan menambahkan atom hidrogen dan kollman charges dengan menggunakan program AutoDock Tools.
6.2. Persiapan Ligand
Persiapan ligan dipersiapkan dengan dipisahnya ligan Dexamethasone (DEX) dari file protein 2XDE.pdb dengan digunakan program YASARA dengan prosedur sebagai berikut: (1) Upload file protein 2XDE.pdb, (2) Kemudian tampilan molekul disederhanakan dengan memilih jenis visualisasi, (3) Dilakukan penghilangan protein supaya tersisa ligand an disimpan format file dengan nama ligand.mol2. Kemudian struktur ligand diperbaiki dengan menambahkan atom hidrogen, geistger charges, dan parameter torsi dengan menggunakan program AutoDock Tools.
6.3. Proses Docking
Proses docking dilakukan dengan ditentukan koordinat dan luas area kantung aktif dari protein 3GN8 dengan AutoDock Tools dengan prosedur sebagai berikut:(1) Membuka protein hasil persiapan kemudian (2) Diatur spacing (angstrom) menjadi 1000 (3) kemudian diatur dimensi dan koordinat grid box sehingga didapatkan koordinat kantung aktif yang siap disisipi ligand.
6.4. Analisis Hasil Docking
Analisis hasil docking dilakukan dengan menentukan konformasi yang terbaik dengan melihat RMSD yang valid dengan batasan nilai 2. Kemudian dicatat energi bebas ikatan dan analisis interaksi protein dan ligand menggunakan AutoDock Tools.
VI. Data Pengamatan
No .
Perlakuan Hasil
1. Didownload file
protein (2XDE)
dengan format file pdb pada situs pdb.org File terdownload 2. File tersebut dibuka pada aplikasi yasarah 3. Dipisahkan ligand dan proteinnya dengan yasara
Ligand dan protein terpisah
4. Diubah format file
ligand dan protein menjadi mol2
Format file menjadi mol2
5. Ditambahkan
muatan pada
ligand dan protein
Ligand dan protein terisi muatan
6. Diubah format file
ligand dan protein
menjadi pdb lagi dengan format file .pdbqt 7. Titik koordinat ditentukan X= 0,868; Y= 3,086; Z= 19,48 8. Ditentukan nilai RMS (menunjukkan nilai afinitas[efektifitas ] interaksi)
Nilai RMS yang terbaik adalah pada vina 3 yaitu sebesar 0,905
VII. Pembahasan
Molecular docking merupakan suatu teknik yang digunakan untuk mempelajari interaksi yang terjadi dari suatu kompleks molekul. Molecular docking dapat memprediksikan orientasi dari suatu molekul ke molekul yang lain ketika berikatan membentuk kompleks yang stabil. (Funkhouser, 2007).
Fokus penambatan molekul untuk mensimulasikan secara komputasi proses pengenalan molekul. Tujuan dari penambatan molekul adalah untuk
mencapai konformasi yang optimal untuk kedua protein dan ligan serra orientasi relative antara protein dan ligan sehingga energy bebas dari sistem secara keseluruhan diminimalkan. Proses komputasi mencari ligan yang cocok baik secara geometris dan energy ke situs protein ini disebut penambatan molekul. Penambatan molekul membantu dalam mempelajari obat/ ligan atau interaksi reseptor/ protein dengan mengidentifikasi situs aktif yang cocok pada protein, mendapatkan geommetri terbaik dari ligan-kompleks reseptor, dan menghitung energy interaksi dari ligan yang berbeda untuk merancang ligand yang lebih efektif(Mukesh & Rakesh, 2011).
Untuk melakukan penambatan syarat pertama adalah menentukan protein yang dikehendaki. Untuk mencari struktur protein nya dapat didownload di pdb.org dengan memasukkan kode protein yang diinginkan. Kali ini, protein yang digunakan adalah protein HIV-1 dengan kode 2XDE. Kemudian pada pdb.org kode protein 2XDE didownload dalam format file PDB. Molecular docking dilakukan untuk menguji interaksi antara ligand dengan proteinnya. Karena protein yang ada didalam pdb.org semua ligand sudah terikat pada reseptornya maka terlebih dahulu ligand dan protein dipisahkan dengan menggunakan aplikasi yasara. Barulah setelah itu digabungkan kembali dengan ditambah muatan kepada masing masing ligand dan proteinnya. Keberhasilan program docking tergantung pada dua komponen: pencarian algoritma dan fungsi scoring(Mukesh & Rakesh, 2011). Fungsi scoring dapat memprediksi afinitas ikatan antara makromolekul dengan ligand. Identifikasi ini didasarkan pada beberapa teori seperti teori energy bebas gibbs. Nilai energy bebas gibbs yang kecil menunjukkan bahwa konformasi yang terbentuk adalah stabil, sedangkan nilai energy bebas gibbs yang besar menunjukkan tidak stabilnya kompleks yang terbentuk. Sedangkan penggunaan algoritma berperan dalam penentuan konformasi(docking pose)
Setelah langkah penyiapan protein dan ligand yang akan didocking selesai, maka dilanjutkan dengan penambatan molekul dengan autodock Vina. Yang pertama kali dilakukan adalah menyalin file protein dan ligand berformat .pdbqt yang artinya ligand dan protein sudah terisi muatan dan setelah itu ditenyukan titik koordinatnya yaitu X = 0,868; Y= 3,086; dan Z=19,48.
Analisa hasil penambatan molekul pada praktikum ini meliputi nilaiΔG
dan Root Mean Square(RMS). Konformasi masing masing ligand hasil docking
diperingkatkan berdasarkan nilaiΔG dari yang terkecil sampai yang tersbesar.
RMSD merupakan nilai yang digunakan untuk menentukukan apakah prediksi mous ikatan tersebut berhasil dan penting untuk validasi program docking. Nilai RMSD dikatakan baik jika lebih kurang atau sama dengan 2 Å. Dengan penyimpangan yang semakin besar, semakin besar kesalahan pada
prediksi interaksi ligand dengan protein.
RMSD merupakan nilai penyimpangan antara satu konformasi ligand dengan pembandingnya. Nilai RMSD yang diperoleh dari penambatan masing masing ligand pada konformasi terbaik adalah 0. Hal ini dikarenakan vina membandingkan nilai masing masing konformasi dengan nilai konformasi
terbaiknya. Sehingga konfomasi pertama pada masing masing ligand membandingkan nilai konformasi dengan dirinya sebagai konformasi terbaik.
Dalam praktikum kali ini diperoleh nilai RMS terbaik pada vina 3 yakni sebesar 0,905. Ini menunjukkan bahwa interaksi antara ligand dengan protein reseptornya baik
VIII. Kesimpulan
Dapat menentukan besarnya energy bebas gibbs(ΔG) dan interaksi yang terjadi
antara kompleks ligand-protein hasil docking Daftar Pustaka
Alvarez, J., & Shoichet, B. (Eds.). (2005).Virtual Screening in Drug
Discovery. Taylor and Francis.
Funkhouser, T. 2007. Protein-Ligand Docking Methods. New Jersey: Princeton
University
Foloppe, N., & Chen, I.-J. (2009).Conformational Sampling and Energetics
of Drug-like Molecules. Current Medicinal Chemistry, 16, 3381-3413.
Motiejunas, D., & Wade, R. (2006).Structural, Energetics, and Dynamic
Aspects of Ligand-Receptor Interactions. In J. B. Taylor & D. J.
Mukesh & Rakesh. 2011. Molecular Docking: A Review. IJRAP
O’Boyle, N., Banck, M., James, C., Morley, C., van der Meersch, T., &
Hutchison, G. R. (2011). Open Babel: An Open Chemical Toolbox.
Journal of Cheminformatics. 3(33).
Putra, A. M. J. 2014. Penambatan molekul (molecular docking) dengan
metode komputasi. Diakses pada
Schneider, G., & Baringhaus, K.-H. (2008). Molecular Design: Concepts and Applications. WILEY-VCH.
