LAPORAN PRAKTIKUM PENGANTAR KIMIA MEDISINAL LAPORAN PRAKTIKUM PENGANTAR KIMIA MEDISINAL
SEMESTER GANJIL 2015 SEMESTER GANJIL 2015
–
2016 2016PENAMBATAN MOLEKUL (MOLECULAR DOCKING) PENAMBATAN MOLEKUL (MOLECULAR DOCKING)
Hari/Jam Praktikum : Selasa/ 07.00 – 10.00 Tanggal Praktikum : 1 Desember 2015
Kelompok : B2
Asisten : Intan Merita
Muhammad Jajuli
Trie Oktaviani Trie Oktaviani 260110150152 260110150152
LABORATORIUM KIMIA MEDISINAL LABORATORIUM KIMIA MEDISINAL
FAKULTAS FARMASI FAKULTAS FARMASI UNIVERSITAS PADJAJARAN UNIVERSITAS PADJAJARAN JATINANGOR JATINANGOR 2015 2015
I.
I. TujuanTujuan
Menentukan besarnya energi bebas (G) dan interaksi yang terjadi antara kompleks ligand-protein hasil docking
II.
II. PrinsipPrinsip
PenambatPenambatan Molekul an Molekul (Molecular Docking)(Molecular Docking)
Docking adalah metode untuk memprediksi orientasi yang terbaik
dari suatu molekul ketika terikat satu sama lain untuk membentuk kompleks yang stabil (Patrick, 2001)
III.
III. Teori DasarTeori Dasar
Penambatan molekul (molecular docking) adalah metode komputasi yang bertujuan meniru peristiwa interaksi suatu molekul ligan dengan protein yang menjadi targetnya (LIPI, 2014).
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 (LIPI,
2014).
Docking dilakukan untuk mensimulasikan secara komputasi proses
pengenalan molekul. Tujuan daridocking adalah untuk mencapai konformasi protein dan ligan yang optimal sehingga energi bebas dari sistem secara keseluruhan diminimalkan. Docking membantu dalam mempelajari obat / ligan atau interaksi reseptor / protein dengan mengidentifikasi situs aktif yang cocok pada protein, mendapatkan geometri terbaik dari kompleks ligan – reseptor , dan menghitung energi interaksi dari ligan yang berbeda untuk merancang ligan yang lebih efektif (Patrick, 2001). Interaksi ligan dengan protein terjadi hanya apabila terdapat kecocokan (fit) bentuk dan volume di antara molekul ligan dan situs aktif atau situs tambat protein tersebut. 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).
Pada saat kecocokan 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).
Untuk melakukandocking , syarat pertama adalah struktur protein dan ligan yang diinginkan. Biasanya struktur telah ditentukan dengan menggunakan teknik biofisik seperti kristalografi sinar-x, atau spektroskopi NMR, kemudian disimpan dalam Protein Data Bank. Sedangkan untuk ligan
yang akan digunakan dapat dibuat dengan software menggambar kimia sepertiChemdraw atau Marvinsketch. Struktur protein dan basis data ligan yang potensial ini berfungsi sebagaiinput untuk program docking (Patrick,
2001).
Programdocking terdiri dari 2 bagian, yaitu docking algorithms /
docking pose dan scoring function. Docking algorithms/pose berfungsi
untuk mencari orientasi/konformasi suatu ligand terhadap situs tambat reseptornya sehingga didapat konformasi yang paling stabil dari kompleks ligan-protein yang terbentuk. Gugus – gugus fungsional ligan akan berinteraksi dengan residu – residu asam amino protein reseptor sehingga membentuk ikatan intermolekular. Kekuatan ikatan inilah yang dihitung dan diperingkatkan (ranking ) denganScoring function(Jenny dan Philip, 2009).
Scoring function berfungsi untuk menghitung afinitas kompleks
protein reseptor yang terbentuk. Identifikasi ini didasarkan pada beberapa teori seperti teori energi bebas Gibbs ( Gbind ). Nilai energi bebas Gibbs
yang kecil menunjukkan bahwa konformasi yang terbentuk adalah stabil, sedangkan nilai energi bebas Gibbs yang besar menunjukkan kurang stabilnya kompleks yang terbentuk. Semakin negatif nilai yang dihasilkan, maka semakin baik afinitas kompleks ligan-protein, sehingga diharapkan aktivitasnya pun semakin baik (Jenny dan Philip, 2009).
Selain itu, dapat pula diperoleh informasi tentang sisi pengikatan protein dengan protein lain maupun protein dengan ligan. Program deteksi atau server online, misalnya GRID , POCKET, SurfNet , LULUS, dan MMC dapat digunakan untuk mengidentifikasi sisi aktif dalam protein. Penjelasan awal untuk mekanisme pengikatan ligan-reseptor adalah teori kunci dan gembok yang diusulkan oleh Fischer, dimana ligan yang cocok terhadap reseptor akan terpasang seperti kunci dan gembok (Sarifatun, 2015).
IV.
IV. Alat dan BahanAlat dan Bahan 4.1 4.1AlatAlat Komputer Program Yasara Program AutoDock 4.2 4.2BahanBahan Data Protein 3GN8 4.3
4.3Gambar AlatGambar Alat
V.
V. ProsedurProsedur
Persiapan ReseptorPersiapan Reseptor
Kode 3GN8 kode dari protein iNOS diunduh dengan Protein Data Bank. Protein dan ligan standard dipisahkan dengan program SPDB Viewer. Struktur molekul protein diperbaiki dengan menambahkan
atom hidrogen polar dan Kollman Charges dengan program AutoDockTools. Protein disimpan dengan format .pdbqt
Persiapan LigandPersiapan Ligand
Molekul andrografoid digambar dengan menggunakan program ChemDraw. Lalu, molekul tersebut di optimasi dengan program Chem3D. parameter torsi dan Gasteiger charges ditambahkan dengan ptogram AutoDockTools. Molekul ligand disimpan dengan
format .pdbqt
Proses DockingProses Docking
Koordinat dan luas area kantung aktif dari protein iNOS (3GN8) menggunakan Grid Box pada program AutoDockTools. Parameter koordinat dan luas area kantung aktif disimpang dengan format txt. Lakukan proses docking dengan pembuatan AutoDockVina dengan menjalankannya pada command promt (CMD).
Analisis Hasil DockingAnalisis Hasil Docking
Konformasi yang terbaik dengan energy bebas Gibbs (∆G) dan interaksi yang terjadi pada molekul ligan dengan protein menggunakan AutoDockTools.
VI.
VI. Data PengamatanData Pengamatan
Persiapan ProteinPersiapan Protein
No.
No. Perlakuan Perlakuan HasilHasil
1. Protein 3GN8 diunduh dari PDB dan diekstrak hingga mendapat
file 3GN8.pdb
Didapatkan file protein 3GN8.
2. Program yasara dijalankan dan load file 3GN8.pdb dan jangan digeser atau diputar molekul
proteinnya.
Didapatkan file 3GN8.pdb dalam program yasara.
3. Tampilan disederhanakan (View>Style Scene>Ribbon &
Ligand)
Didapatkan tampilan protein lebih sederhana.
4. Ligan standar dihilangkan dari protein
(Edit>Deleted>Residu)
Didapatkan protein tanpa ligand standard.
5. File disimpan dengan nama protein.mol2
Didapatkan file dengan nama protein.mol2.
6. Struktur protein disempurnakan dengan program AutoDock Tools
(File>Read Molecule>Protein.mol2) (Edit>Hydrogen>Add) (Edit>Charges>Add Kollman Charges) (Grid>Macromolecule>Choose..) 7. File disave dengan format
protein.pdbqt
Didapatkan file dengan format protein.pdbqt
Persiapan LigandPersiapan Ligand
No.
No. Perlakuan Perlakuan HasilHasil
1. Program yasara dijalankan dan load file 3GN8.pdb dan jangan digeser atau diputar molekul
proteinnya.
Didapatkan file 3GN8.pdb dalam program yasara.
2. Tampilan disederhanakan (View>Style Scene>Ribbon &
Ligand)
Didapatkan tampilan protein lebih sederhana.
3. Protein dihilangkan (Edit>Deleted>Residu)
4. File disimpan dengan nama ligand.mol2
Didapatkan file dengan nama ligand.mol2.
5. File disave dengan format ligand.pdbqt
Didapatkan file dengan format ligand.pdbqt
Proses DockingProses Docking
No.
No. Perlakuan Perlakuan HasilHasil
1. Letak koordinat dan luas kantung sisi aktif protein dibandingkan dengan program vinaconfig.txt
Didapatkan: X = 38,276 Y = 15,0072 Z = 7,34364
2. Proses docking dilakukan sebanyak 3 kali menggunakan
program AutoDocks Vina
Dihasilkan protein data hasil docking sebanyak 3 kali.
3. Dibuka folder docking_result dan dicheck satu persatu rsmd_1 pada
setiap folder vina.
1. RMS Vina 1 = 8,327
2. RMS Vina 2 = 8,325
3. RMS Vina 3 = 8,344
4. Dibuka file out.log dari folder dengan nilai RMS vina terkecil.
Didapatkan nilai afinitas sebesar -12,9.
VII.
Kimia komputasi merupakan cabang ilmu kimia yang menggunakan program komputer untuk menghitung sifat-sifat molekul dan perubahannya. Pemodelan kimia komputasi dapat membantu para kimiawan untuk mendesain awal proses reaksi sintesis yang diinginkan, mempelajari dan menjelajahi mekanisme reaksi yang mungkin terjadi dari desain yang telah dibuat, melakukan simulasi reaksi dalam komputer dan menentukan sifat dari molekul pereaksi maupun produk yang dihasilkan.
Metode pengembangan obat saat ini sudah menggunakan metode komputasi untuk menemukan obat beru berdasarkan struktur biologi obat tersebut. Salah satu metode yang digunakan adalah molecular docking.
Dalam molecular docking ditambatkan molekul obat (ligan) pada
reseptornya (target obat/protein) berdasarkan interaksi yang terjadi sehingga dapat diprediksi aktifitasnya.
Program yang digunakan dalam molekular docking adalah program yasara, AutoDock Tools dan AutoDock Vina. Data protein yang akan kita lakukan analisis docking dapat kita download dari RSCB. RSCB merupakan Protein Data Bank (PDB) online yang menyimpan database kristalografi untuk data struktural tiga dimensi dari molekul biologis yang besar, seperti protein.
Tahap pertama dari molecular docking adalah docking algorithms yang berfungsi untuk mencari konformasi suatu ligand terhadap situs rambat reseptornya sehingga didapat konfortasi yang paling stabil.
Data protein yang akan dianalisis docking adalah 3GN8. 3GN8 merupakan protein yang berada dalam sistem ekspresi bakteri Escherichia coli yang hidup didalam sistem ekskresi manusia ( Homo sapiens). Protein 3GN6 merupakan salah satu kode protein dexametason. Deksametason seperti kortikosteroid lainnya yaitu memiliki efek anti inflamasi dan anti alergi dengan pencegahan pelepasan histamine (Katzung, 1998).
Data didownload dan kemudian di extract dan didapatkan sebuah file dengan format 3GN8.pdb yang akan dimasukkan ke dalam program selanjutnya. Jalankan program yasara yang telah diinstal terlebih dahulu
untuk melakukan homologi modeling. Yasara adalah akronim dari Yet Another Scientific Artificial Reality Aplikasi yang merupakan program visualisasi, pemodelan dan dinamika molekuler yang dapat digunakan untuk serangkaian aplikasi ilmiah. Load data protein ke program tersebut (File > Load > PDB File…). Selanjutnya akan muncul sruktur protein seperti gambar berikut:
Protein tersebut tidak boleh diputar, dizoom ataupun digeser karena akan berdampak pada perubahan titik koordinatnya.
Selanjutnya tampilan molekul protein disederhanakan (View>Style Scene>Ribbon & Ligand) sehingga tampilannya menjadi untaian panjang pita dan ligannya. Dalam protein 3GN8 terdapat dua buah ligand aktif yang bernama DEX. Kemudian dihapus bagian dari sistem yang tidak diperlukan dalam protocol docking (yang dibutuhkan hanya satu protein, termasuk air jika esensial, dan satu ligand). Hapus rantai A (Edit > Delete > Molecule > Pilih rantai A – All – Negate Name > Ok). Setelah itu, hapus bagian ligand standar (Edit>Deleted>Residu) untuk mendapatkan struktur proteinnya saja. Sehingga protein tidak mempunyai ligand standard lagi seperti gambar:
Protein disimpan dengan format protein.mol2. Setelah disimpan, buka file baru 3GNB8_A.pdb dan hilangkan struktur proteinnya sama seperti diawal menghapus stuktur ligand (Edit>Deleted>Residu). File disimpan dengan nama ligand.mol2. Titik koordinat dan kantung aktif dapat diketahui dengan merujuk pada koordinat ligand 3D asli.
Selanjutnya struktur protein disempurnakan dengan program AutoDock Tools. Program AutoDock Tools merupakan program untuk melihat molekul dalam bentuk 3D, memutar dan mempunyai skala. Selain itu, AutoDock Tools dapat menambahkan atom hidrogen baik polar maupun non polar, menambahkan gasteiger charges dan kollman charges dan membuat molekul protein dan ligand tidak kaku (ada rotable bonds sehingga
dapat berputar). Lalu, load file protein.pdb dan pilih Grid > Macromolecules > Open >Choose.. dan disimpan dengan format protein.pdbqt.
PDBQT merupakan singkatan dari Protein Data Bank, Partial Charge (Q), & Atom Type (T). File dengan format .pdbqt akan digunakan untuk menentukan afinitas dari protein dan ligand yang sedang dianalisis. Lakukan hal tersebut pada ligand, dengan load file ligand.pdbqt dan kemudian disimpan kembali dengan format ligan.pdbqt.
Tahap kedua dalam prosesmolecular docking adalah scoring function.
Scoring function merupakan kekuatan ikatan yang dihitung dan
diperingkatkan (rangking) berdasarkan interaksi antara gugus fungsional dan residu asam amino protein.
Setelah itu, gunakan program AutoDock Vina. AutoDock Vina merupakan sebuah program yang dirancang untuk melakukan molecular docking. Dengan program AutoDock Vina, kita bisa menentukan titik koordinat ( plants) tetapi untuk menjalankan program AutoDock Vina harus menggunakan command prom.
Untuk menentukan titik koordinat, kita menggunakan bahasa linux. Kemudian, pilih Bindingsite.sh > Run interminal> Vinaconfig.txt dan akan muncul letak koordinatnya.
Hal tersebut yang menyebabkan molekul protein tidak boleh diputar, diperbesar atau digeser karena akan menimbulkan perubahan pada titik koordianat. Titik koordinat tersebut nantinya akan dilihat setelah selesai proses molecular docking untuk menentukan apakah letaknya berubah atau
tidak. Didapatkan koordinat X= 38,276 ; Y= 15,0072 ; Z= 7,34364.
Langkah terakhir dalam scoring function adalah melakukan proses
molecular docking dengan mengklik file Docking.sh.. Akan muncul bahasa
pemograman yang harus kita ganti untuk melakukan proses docking sebanyak 3 kali, yaitu :
Setelah itu di close dan klik Run Docking.sh sehingga proses molecular docking dapat dimulai sebanyak 3 kali dengan prosesnya menggunakan command prom.
Setelah proses molecular docking beres, akan ada sebuah folder bernama docking_result yang didalamnya terdapat 3 buah folder vina 1,
vina 2 dan vina 3 yang berisi hasil dari proses molecular docking sebanyak 3 kali yang telah kita buat. Satu persatu folder dibuka dan klik file berjudul rsmd_1 dalam file tersebut terdapat nilai RMS.
Nilai RMS (Root Mean Square) adalah pengukuran dua pose dengan membandingkan posisi atom antara struktur eksperimental dengan struktur yang di-docking-kan atau yang diprediksi (Hawkins et al., 2008). Dari masing-masing file didapatkan nilai RMS sebesar:
Vina 1 = 0,327 Vina 2 = 0,325 Vina 3 = 0,344
Dari hasil tersebut dipilihlah nilai yang terkecil. Semakin kecil nilai
RMS menunjukkan bahwa pose ligan yang diprediksi semakin baik karena semakin mendekati konformasi native. Akan tetapi, sebenarnya belum ada standar nilai RMS yang digunakan sebagai parameter kesuksesan metode docking. Nilai RMS < 2,0 biasanya digunakan sebagai kriteria kesuksesan metode docking. Apabila mendapatkan nilai RMS 0.00 maka proses docking sukses 100% dan tidak ada penyimpangan. Sedangkan apabila nilai RMS 2,0 maka metode docking dianggap tidak valid untuk dicoba dengan ligan yang lainnya. Tahapan ini disebut juga dengan validasi docking.
Nilai RMS terkecil dimiliki oleh Vina 2 sebesar 0,325. Didalam folder vina_2 jalankan file out.log. Dari file tersebut dapat diketahui afinitasnya, yaitu sebesar -12,9 kkal/mol.
Afinitas merupakan sejumlah energy terendah yang dibebaskan oleh ligan atau disebut jugan dengan energy gibbs (∆Gbind). Kecocokan antara molekul ligan dengan sisi aktifnya dapat dilihat dari nilai afinitasnya, semakin kecil atau negatif nilai afinitas maka aktivitas molekulnya semakin baik dan semakin besar nilai afinitasnya makan aktivitas molekulnya kurang baik sehingga perlu adanya penggantian situs aktifnya (Ambarsari et al,
2014).
VIII.
VIII. SimpulanSimpulan
Hasil dari validasi docking mendapatkan nilai RMS sebesar 0,325. Proses docking dikatakan berhasil dan hanya sedikit penyimpangan. Dari
nilai tersebut didapatkan besarnya nilai energi bebas ( hasil docking antara satu kompleks ligand dan protein dari data protein 3GN8 sebesar -12,9 kkal/mol. Semakin kecil atau semakin negatif nilai energi bebas (
Daftar Pustaka Daftar Pustaka
Alvarez, J., & Shoichet, B. (Eds.). 2005. Virtual Screening in Drug Discovery.
Taylor and Francis.
Ambasari, L et al. 2014. Simulasi Docking Senyawa Kurkumin dan Analognya
Sebagai Inhibitor Reseptor Androgen pada Kanker Prostat. CURRENT
BIOCHEMISTRY. Volume 1 (1): 11-19
Bourne, P E and Gu, J. 2009.Structural Bioinformatics, Second edition.
Katzung, B. G., (1998), Farmakologi Dasar dan Klinik Edisi VI, Penerbit Buku
Kedokteran EGC, Jakarta
LIPI. 2014. Tersedia Online di:
http://www.komputasi.lipi.go.id/utama.cgi?artikel&1392438295 [Diakses pada: Senin, 23 November 2015; 21.29]
Naharitah, S. 2015. Tersedia Online di:
http://sari.web.unej.ac.id/2015/05/12/molecular-dynamics-and-molecular-docking/ [Diakses pada: Senin, 23 November 2015; 21.25]
Patrick, G., 2001. Instant notes in medicinal chemistry. BIOS Scientific Publisher. Stark, H et al. 2008. Human Inflammatory Dendritic Epidermal Cells Express a
Functional Histamine H4 Receptor . J Invest, Dermatol, 128 (7) : 1696-1703.
Schneider, G., & Baringhaus, K.H.2008. Molecular Design: Concepts and
