Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas

Oleh:

Siswandono

Laboratorium Kimia Medisinal

Hubungan

Hubungan

Kuantitatif

_Kuantitatif

Struktur

Crum, Brown

Crum, Brown dandan Fraser Fraser (1869) (1869) ÆÆ aktivitasaktivitas biologisbiologis alkaloida

alkaloida alam, alam, sepertiseperti strikninstriknin, , brusinbrusin, , tebaintebain, , kodeinkodein, , morfin

morfin dandan nikotinnikotin akanakan menurunmenurun atauatau hilanghilang bilabila direaksikan

direaksikan dengandengan metilmetil iodidaiodida ÆÆ efekefek biologisbiologis suatusuatu senyawa

senyawa ((φφ) ) merupakanmerupakan fungsifungsi daridari strukturstruktur kimianyakimianya (C).(C). Overton

Overton (1897) (1897) dandan MeyerMeyer (1899) (1899) ÆÆ efekefek narkosisnarkosis senyawa-senyawa -senyawa

senyawa yang yang mempunyaimempunyai strukturstruktur kimiakimia bervariasibervariasi berhubungan

berhubungan dengandengan nilainilai koefisienkoefisien partisipartisi lemaklemak/air/air. . Ferguson

Ferguson (1939) (1939) ÆÆ aktivitasaktivitas bakterisidbakterisid turunanturunan fenolfenol mem-mem -punyai

punyai hubunganhubungan linier linier dengandengan kelarutankelarutan dalamdalam airair.. Corwin

Corwin HanschHansch dkkdkk (1963) (1963) ÆÆ menghubungkanmenghubungkan strukturstruktur kimia

kimia dandan aktivitasaktivitas biologisbiologis obatobat melaluimelalui sifatsifat--sifatsifat kimiakimia fisika

fisika ÆÆ kelarutankelarutan dalamdalam lemaklemak ((lipofiliklipofilik), ), derajatderajat ionisasiionisasi (

(elektronikelektronik), ), dandan ukuranukuran molekulmolekul ((steriksterik). ). Setelah

Setelah ituitu HKSA HKSA suatusuatu seriseri molekulmolekul, , mulaimulai berkembangberkembang secara

secara intensifintensif. . HubunganHubungan yang yang baikbaik digunakandigunakan untukuntuk menunjang

Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas (HKSA) Æ

bagian penting rancangan obat dalam usaha mendapatkan obat baru dengan :

a. aktivitas lebih besar, b. lebih selektif,

c. toksisitas atau efek samping lebih rendah, d. kenyamanan yang lebih besar,

e. 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

Model

Pendekatan

Pendekatan

HKSA Free

HKSA Free

-

-

Wilson

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 A_n.B_n + μ

Σ A_n.B_n = 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

Struktur umum : OH Y X R N(CH3)2 OH CONH₂ OH O OHO NO₂ CH₃ NO₂ NH₂ NHCOCH₃ No. se-nyawa _H Cl Br Log 1/C R X Y 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 60 21 15 525 320 275 160 15 140 75

1. (H)_R + (NO₂)_X + (NO₂)_Y + μ = 60 2. (H)_R + (Cl)_X + (NO₂)_Y + μ = 21 3. (H)_R + (Br)_X + (NO₂)_Y + μ = 15 4. (H)_R + (Cl)_X + (NH₂)_Y + μ = 525 5. (H)_R + (Br)_X + (NH₂)_Y + μ = 320 6. (H)_R + (NO₂)_X + (NH₂)_Y + μ = 275 7. (CH₃)_R + (NO₂)_X + (NH₂)_Y + μ = 160 8. (CH₃)_R + (NO₂)_X + (NHCOCH₃)_Y + μ = 15 9. (CH₃)_R + (Br)_X + (NH₂)_Y + μ = 140 10. (CH₃)_R + (Br)_X + (NHCOCH₃)_Y + μ = 75

Aktivitas biologis = (R) + (X) + (Y) + μ

(R), (X) dan (Y) = sumbangan aktivitas dari gugus-gugus yang terdapat pada posisi R, X dan Y.

Sumbangan

aktivitas

substituen-substituen

terhadap aktivitas 6-deoksitetrasiklin

Æ

dihitung

menggunakan

komputer Program QSAR

:

No. Posisi Substituen Substituen Sumbangan Aktivitas 1 R H 75 2 R _CH3 -113 3 X Cl 84 4 X Br -16 5 X _NO2 -26 6 Y NH2 123 7 Y _NHCOCH3 18 8 Y NO2 -218

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 E_s + d

C = kadar untuk respons biologis baku.

Σ π, Σ σ dan Σ E_s = 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 A

Log P optimal (Log Po)

Pengaruh log P Æ kurva parabolik

(non linier)

Log 1/C = a (log P)2 _{+ b log P + c}

log 1/C = a (

SIMBOL PARAMETER KETERANGAN

Log P, (log P)2 Logaritma koefisien partisi _{log P = Σ} π

π, π2 _{Tetapan substituen hidrofobik Hansch-Fujita π}

X = log PSX - log PSH

f Tetapan fragmentasi Rekker-Mannhold _{log P = Σ f}

ƒ Tetapan fragmentasi Hansch-Leo

Rm Parameter kromatografi _{Rm = log { (1/Rf ) - 1 }}

Δ Rm Parameter kromatografi substituen _{ΔRm = Rm (RX) - Rm (RH)}

δ, log δ Parameter kelarutan

log S_w Logaritma kelarutan dalam air

pKa Negatif logaritma tetapan ionisasi

Δ pKa Perubahan negatif logaritma tetapan ionisasi

log K Tetapan keseimbangan reaksi Tetapan reaksi

t1/2 Parameter reaksi

I Potensial ionisasi

PE Polarisabilitas molar elektronik

α Polarisabilitas elektronik

μ Dipol momen elektrik Sifat organik fisik

Δ ppm Pergeseran kimia spektra NMR

Δ ν Pergeseran kimia spektra IR

Ε Potensial redoks

PARAMETER HIDROFOBIK

PARAMETER ELEKTRONIK

σ, σ2 Tetapan elektronik Hammett σ_X = pKa_SX - pKa_SH

σm Efek elektronik substituen pada posisi meta

σp Efek elektronik substituen pada posisi para

σI Tetapan induktif alifatik Taft σ_i = 1/2 ( 3 σ_p - σ_m )

σ* Tetapan substituen polar Taft _σ* _{= 2,51 σi}

F Tetapan induktif field _{σ = aF + bR}

R Tetapan resonansi

E_R Tetapan reaksi homolitik

E_tot Total energi elektron dalam molekul Energi minimum konformasi molekul

E_{HO MO} Kemampuan donor elektron total molekul Total energi elektron mol. E_LEMO Kemampuan aseptor elektron total molekul

ε Kerapatan muatan atom

q Muatan elektronik atom

S_rN Superdelokalisabilitas nukleofilik Kerapatan elektron S_rE Superdelokalisabilitas elektrofilik dan energi atom S_rR Superdelokalisabilitas radikal bebas

c Koefisien orbital atom

B. Parameter semi teoritis

M_W Berat molekul M_V Volume molar M_R Refraksi molar _{MR = (n}2 - 1) x BM / (n2 - 2) x d P Parakor _{[P] = BM x (γ)}1/4 / (D-d)

V_W Volume van der Waal’s

E_s Parameter sterik Taft E_s = log ( KSX/KSCH3 )a

E_sc Parameter sterik terkoreksi Hancock’s E_sc = E_{s -} 0,306 ( n - 3 )

R Jarak antar atom

r_av Jari-jari van der Waal’s r_av = 1/2 [ r_v(min) + r_v(maks) ]

U Tetapan sterik Charton _{U = r}

v(min) - 1,20

L Panjang substituen (panjang aksis ikatan antara substituen dengan molekul induk)

B₁ Lebar minimal substituen Tetapan sterimol

B₂ B₃ B₄ Lebar tambahan Verloop

B₅ Lebar maksimal substituen

B. Parameter sterik (true)

PARAMETER STERIK

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

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 _{+ bX}

1 + cX2 + d

Y = - a(X₁)2 _{+ bX}

1 + cX2 + dX3 + e

Perhitungan analisis regresi dapat dilakukan dengan menggunakan Program Komputer :

QSAR / SPSS / STATGRAPHICS / SIGMASTAT / MINITAB / STATISTIKA dll.

Contoh HKSA Model Hansch

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 Koefisien fenol, S. aureus 4-Alkilresorsinol 0,91 -1,10 8 0,952 0,409 Hipnosis, tikus Arilalkilurea 0,55 2,42 23 0,943 0,116

1) Hubungan linier antara aktivitas biologis dengan log P log 1/C = a log P + b

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

Hipnosis, tikus, MED Barbiturat -0,55 1,80 2,10 15 0,855 0,124

Hipnosis, kelinci, MED Tiobarbiturat -0,33 2,22 0,60 10 0,958 0,101

2) Hubungan nonlinier antara aktivitas biologis dengan log P log 1/C = a (log P)2 + b log P + c

S istem Biologis Tipe S enyawa a b c d n r s

Penghambatan S. aureus Kloramfenikol -0,54 0,48 2,13 0,22 9 0,945 0,264

Penghambatan E. coli Kloramfenikol -0,68 0,31 1,36 0,79 10 0,818 0,555

3) Hubungan nonlinier antara aktivitas biologis dengan π dan σ log 1/C = a (π )2 + b π + c σ + d

HSA

HSA

Turunan

Turunan

Kloramfenikol

Kloramfenikol

No. R σ π Log A (pengamatan) Log A (perhitungan) 1 -NO₂ 0,71 0,06 2,00 1,77 2 -CN 0,68 -0,31 1,40 1,47 3 -SO₂CH₃ 0,65 -0,47 1,04 1,27 4 _-CO2CH3 0,32 -0,04 1,00 0,89 5 -Cl 0,37 0,70 1,00 1,08 6 _-NN-C6H5 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 R CH CH O H NH C CHCl₂ O CH₂O H Struktur umum:

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 ÆÆ

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. Bagian molekul non ionik yang sangat polar, dengan nilai π (-) besar. 2. Gugus hidrokarbon atau hidrokarbon terhalogenasi, yang bersifat

non polar, dengan nilai π berkisar antara 1-3. Contoh: Turunan barbiturat (amobarbital)

H N NH O O O H₃CH₂C CH₃ CH₂CH₂ CH H₃C (+) 1,00 (+) 2,30 Log P ( Σ π) = (+) 1,95 Amobarbital Substituen Nilai π (-) 1,35 H O O O N N H H₃CH₂C H₃C CH CH₂CH₂ CH₃

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 [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