MAKALAH KIMIA MEDISINAL
Studi Molecular Docking Alkaloid Yang Berpotensi Sebagai Anti
Kolinergik: Anti-Cholinergic Alkaloids as Potential Therapeutic
Agents of Alzheimers Disease: an in Sillico ApproachDisusun
oleh:
Kelompok 14
Stella Christa Santoso
132210101030
Nina Amalia
132210101076
Fatimah Indah Fikriyah
132210101112FAKULTAS FARMASI
UNIVERSITAS JEMBER
2015
BAB IPENDAHULUAN1.1 Latar BelakangPenyakit Alzheimer merupakan
penyakit yang disebabkan oleh adanya gangguan neurodegeneratif
progresif dengan banyak gejala kognitif dan neuropsikiatri pada
populasi usia lanjut. Penyakit ini ditandai dengan menurunnya
asetilkolin (ACh) pada otak secara signifikan. Meskipun banyak
faktor yang mempengaruhi Alzheimer, stress oksidatif yang
mempengaruhi kesetimbangan antara produksi dan detoksifikasi dari
ROS, dicurigai sebagai faktor penting dalam peyakit
neurodegeneratif ini. Oleh karena itu, penambahan fungsi pusat
kolinergik dengan cara menghambat asetilkolinesterase (AChE)
merupakan salah satu cara pengobatan penyakit ini.
Salah satu metabolit aman yang diperoleh dari tumbuhan yaitu
alkaloid. Alkaloid telah dilaporkan aman dan memiliki sifat
neuroprotective yang dapat berinteraksi baik dengan reseptor saraf
seperti hupazin. Alkaloid dapat dijadikan molekul terapeutik untuk
gangguan neurologi termasuk Alzheimer. Banyak peneliti telah
melaporkan sejumlah alkaloid yang dapat berperan sebagai AChE
inhibitor seperti galantamin, montanin, arekolin, bulbokapnin dan
kordalis. Alkaloid-alkaloid tersebut memiliki aktivitas anti
kolinergik dan digunakan untuk pengobatan penyakit Alzheimer di
berbagai negara. Keefektifan dan kemampuan anti kolinergik dari
alkaloid mendorong penelitian untuk mencari alkaloid lain yang juga
memiliki aksi sebagai AChE inhibitor. Pada beberapa penelitian,
telah terdapat 13 alkaloid yang digunakan sebagai neuroprotective
yang dianalisis dengan silico molekular docking dan mendekati
sebagai antikolinergik yang potensial sebagai AChE inhibitor.
Metode analisis dengan docking ini didasarkan pada senyawa yang
diketahui berikatan dengan ligan atau disebut Ligand-Based Drug
Design (LBDD) dan struktur target, baik berupa enzim maupun
reseptor yang bertanggung jawab atas toksisitas dan aktivitas suatu
senyawa di dalam tubuh atau sering disebut Structure-Based Drug
Design (SBDD).
Dengan adanya metode pendekatan molekular yaitu docking,
analisis turunan-turunan suatu senyawa termasuk alkaloid sering
dilakukan. Alkaloid sendiri secara umum telah dianalisis aksi
antikolinergiknya. Turunan alkaloid yang poten juga telah
digabungkan dengan beberapa obat yang digunakan untuk melawan AD
untuk melihat potensial relatif dari antikolinergik sebagai AChE
inhibitor. Berdasarkan uraian diatas, kelompok kami ingin membahas
mengenai Studi Molecular Docking Alkaloid Yang Berpotensi Sebagai
Anti Kolinergik1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang di atas, dapat dirumuskan
permasalahan sebagai berikut.1.2.1 Bagaimanakah aktivitas alkaloid
terhadap AChE menurut analisis docking?1.2.2 Bagaimana perbandingan
ikatan antara alkaloid dengan AChE dan ikatan obat anti-kolinergik
yang umum digunakan terhadap AChE?
1.2.3 Alkaloid apakah yang memiliki kemampuan AChE inhibitor
paling baik?1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian tersebut adalah sebagai berikut.1.3.1
Mengetahui aktivitas alkaloid terhadap AChE menurut analisis
docking.1.3.2 Mengetahui perbandingan ikatan antara alkaloid dengan
AChE dan ikatan obat anti-kolinergik yang umum digunakan terhadap
AChE.
1.3.3 Mengetahui jenis alkaloid yang memiliki kemampuan AChE
inhibitor paling baik.BAB II
METODOLOGI2.1 Alat dan BahanBahan yang digunakan adalah struktur
kristal dari kompleks asetilkolinesterase dengan racun bisa ular
fasciculin-II yang dipecah dengan menggunakan X-ray kristalografi.
Alat yang digunakan adalah Autodock 4.0 termasuk Algoritma Genetik
Lamarckian, software CHIMERA, program CASTp.
2.2 Prosedur Penelitian
2.2.1 Persiapan struktur protein
Struktur kristal dari kompleks asetilkolinesterase dengan serum
bisa ular fasciculin-II yang dipecah dengan menggunakan
kristalografi X-ray pada resolusi 1009 diperoleh dari Bank Data
Protein (http://www.rscb.org/). Pemindahan rantai (penghapusan
maupun penghubungan) dilakukan dengan software CHIMERA.2.2.2
Persiapan struktur ligan Sejumlah alkaloid dari metabolit sekunder
sebagai inhibitor AChE dipilih melalui literatur yang ada yaitu
Chemspider dan PubChem. Kemudian diubah formatnya menjadi PDB
menggunakan Molecular File Converter. 2.2.3 Molecular Docking
Daerah pengikatan untuk studi docking molekul ditetapkan pada
0.375 yang terletak pada sisi aktif enzim asetilkolinesterase (PDB
kode 1B41) dilakukan dengan Autodock 4.0 dan Algoritma Genetik
Lamarckian. Algoritma ini memanfaatkan sebuah rongga deteksi
algoritma (cavity) untuk mendeteksi tempat ikatan protein sebagai
potensi daerah pada sisi aktif untuk berikatan dengan obat (ligan).
10 algoritma genetik bergerak pada masing-masing senyawa dan
mencari konformasi untuk menghasilkan pose ligan yang konsisten
dengan bentuk sisi aktif agar mencapai ligan target. Calon pose
yang diminimalkan energinya dalam sisi aktif menggunakan metode
berbasis grid berukuran 88 x 88 x 88 dibuat dan didasarkan pada
ligan co-crystallized. Masing-masing algoritma genetik ditampilkan
dari populasi 150 individu. Kecepatan mutasi dan persilangan
disetting 0.02 dan 0.8.
Selain itu dilakukan percobaan fungsi energi bebas untuk
memperkirakan energi ikatan, konstanta inhibisi, energi docking,
energi intermolekular dan energi torsional. Energi ikatan bebas
secara empiris dihitung berdasarkan pada energi masuk dan faktor
koefisien. Nilai dari energi ikatan nantinya digunakan untuk
menentukan posisi docking pada molekul. Gugus dengan ikatan
terlemah yang dipilh.
Semua interaksi docking antara molekul target dan ligan
ditunjukkan melalui CHIMERA dan ikatan hidrogen dengan batas radius
interaksi 0.4 dari sisi aktif dan atom substrat yang dianalisis.BAB
III
HASIL DAN PEMBAHASAN3.1 Identifikasi Sisi Aktif AChE
Prediksi sisi aktif dilakukan dengan menggunakan program CASTp
untuk analisis sisi ikatan. Prediksi sisi ikatan ligan-AChE
ditunjukkan pada gambar berikut.
Ikatan ligan pada sisi aktif terdiri atas 34 residu, Gln71,
Tyr72, Asp74, Gly82, Thr83, Trp86, Asn87, Pro88, Gly120, Gly121,
Gly122, Tyr124, Ser125, Gly126, Leu130, Tyr133, Glu202, Glu202,
Ser203, Ala204, Trp236, Trp286, Leu289, Ser293, Val294, Phe295,
Arg296, Phe297, Tyr337, Phe338, Tyr341, Trp439, His447, Gly448 dan
Tyr449. Hasil prediksi sisi aktif dengan program CASTp divalidasi
lebih lanjut dengan analisis docking.3.2 Analisis Docking AChE
dengan Alkaloid Terpilih
Mengingat penggunaan alkaloid yang menjanjikan seperti
montanine, arecoline dan Galanthamine untuk pengobatan Alzheimer,
maka pada penelitian ini digunakanlah 13 alkaloid neuroprotective
yang dianalisis potensial anti kolinergiknya terhadap AChE melalui
pendekatan docking in silico. Hasil docking 13 alkaloid dengan AChE
tersebut ditampilkan dalam tabel berikut.
Berdasarkan parameter docking, yaitu energi ikatan dan konstanta
inhibisi (Ki), alkaloid pleiokarpin menunjukkan kemampuan inhibisi
AChE terbaik dengan energi ikatan -12.50 kcal/mol dan Ki 6.90 x
10-4 M.
Dalam literatur tidak ada informasi mengenai aktivitas anti
kolinergik dari alkaloid tersebut. Namun, ada beberapa penelitian
yang menyarankan ekstrak tanaman dari famili Apocynaceae yang dapat
dipertimbangkan sebagai sumber alkaloid eburnamine/vincamine yang
menunjukkan kemampuan neuroprotective. Prediksi in silico dalam
penelitian ini mengungkapkan aktivitas anti kolinergik dari
alkaloid eburnamine, eburnamenine, dan eburnamonine dari Hunteria
zeylanica. Alkaloid oliveroline dan noroliveroline dari Polyalthia
longifoliai yang digunakan untuk mengobati penyakit Parkinson, dan
alkaloid dari tanaman yang sama seperti liridonine, isooncodine,
polyfothine, dan darienine juga menunjukkan kemampuan
neuroprotective. Dengan demikian, hasil analisis docking penelitian
ini menyarankan alkaloid-alkaloid yang memiliki aktivitas terhadap
AChE tersebut untuk pengobatan Alzheimer yang efektif.3.3 Studi
Docking Pleiokarpin dan Derivatnya, serta Obat yang Diketahui
terhadap AChE
Dalam rangka meningkatkan aktivitas pleiokarpin terhadap AChE,
sejumlah derivat pleiokarpin dihasilkan dengan mengganti metil
hidrogen pada gugus karboksilat yang terikat nitrogen, dengan
berbagai gugus fungsional lainnya, seperti -NH2, NO2 dan -OH
menggunakan Software ChemSketch versi 11.0. Struktur kimia
pleiokarpin dan derivatnya ditunjukkan pada berikut.
Derivat amino, nitro- dan hidroksil- dari pleiokarpin digunakan
untuk analisis docking dengan AChE sebagai target. Hasilnya
ditunjukkan dalam tabel berikut.
Berdasarkan parameter docking, yaitu energi ikatan dan konstanta
inhibisi, turunan amino dari pleiokarpin (Gbr. 2B) ditemukan
berpotensi karena memiliki energi ikatan -13,34 kkal/mol dan Ki
1,65x10-4 M. Perkiraan daerah dan volume pengikatan berbagai ligan
di sisi aktif AChE juga dilakukan menggunakan program CASTp oleh
model Connollys Surface (hasilnya dapat dilihat dalam tabel 2).
Ikatan pleiokarpin dan derivat aminonya terhadap AChE ditemukan
lebih kompak dari pada obat (sesuai dengan hasil docking).
Selain itu, potensi penghambatan pleiokarpin dan derivatnya juga
dibandingkan dengan obat-obat anti-kolinergik yang umum digunakan,
yaitu Cognex dan Exelon (data ditunjukkan pada tabel 2).
Dibandingkan dengan obat-obatan ini, hampir semua alkaloid yang
dipilih, khususnya pleiokarpin dan derivat aminonya ditemukan
sebagai inhibitor AChE yang menjanjikan.3.4 Regiospesifisitas
Pengikatan Pleiokarpin, Derivatnya, dan Obat terhadap AChE Dari
hasil penelitian, tampak bahwa residu asam amino AChE terlibat
dalam ikatan dan interaksi dengan ligan (pleiokarpin, derivatnya,
dan obat Cognex dan Exelon) pada sisi aktifnya (dapat dilihat pada
gambar 3A-F dan tabel 3). Analisis regiospesifisitas interaksi
ligan dengan AChE menunjukkan bahwa pleiokarpin, derivatnya
(amino-, nitro-, hidroksil-), dan obat (Cognex dan Exelon)
berinteraksi pada cara yang sama, kecuali pada residu Tyr341dan
Asp74 tidak terjadi ikatan dengan Cognex dan Exelon.Sembilan
residu, yaitu Trp86, His447, Gly448, Gly82, Gly121, Tyr337, Glu202,
dan Tyr449 adalah residu yang biasa berinteraksi dengan ligan,
termasuk obat-obatan. Kesembilan residu ini juga terlihat di sisi
aktif AChE yang diprediksi menggunakan program CASTp. Dalam
penelitian ini, residu Trp, Ser, His, dan Glu terlibat dalam
interaksi dengan pleiokarpin, derivatnya, dan obat dengan
AChE.Berdasarkan hasil penelitian, tidak ditemukan adanya ikatan-H
intermolekuler antara ligan-ligan seperti pleiokarpin, derivatnya
(nitro-, hidroksil-), dan obat (Cognex dan Exelon) terhadap target,
hanya derivat amino pleiokarpin saja yang menunjukkan adanya
ikatan-H intermolekuler dengan Thr83 dengan jarak 31 A. Selain itu,
pada analisis ikatan-H intra-molekuler ditemukan adanya 2-4 ikatan
hidrogen pada semua ligan, kecuali pada obat Cognex (tabel 3).
Residu-residu Trp86-Tyr449 (3.204 A) dan Tyr 337-Tyr224 (4.788 A)
terlibat dalam ikatan-H intra-molekular dengan pleiokarpin dan
derivat amino- dan nitro-, sedangkan derivat hidroksil dan Exelon
terlibat dalam ikatan-H intra-molekular dengan Trp86-Tyr449 (2.73
A) dan Trp86-Tyr449 (3.202 A).
BAB IV
PENUTUP4.1 Kesimpulan 13 alkaloid teranalisis sebagai
anti-kolinergik yang potensial melalui docking dengan AChE sebagai
target dan dibandingkan dengan obat yang biasa digunakan sebagai
anti-kolinergik, seperti Cognex dan Exelon. Berdasarkan berbagai
macam parameter docking, pleiokarpin menjadi alkaloid
anti-kolinergik yang paling poten sehingga dapat digunakan sebagai
molekul terapi yang berpotensi untuk melawan Alzheimer. Derivat
amino pleiokarpin adalah agen anti-kolinergik yang paling baik.
4.2 Saran
Sebaiknya pada penelitian lebih lanjut dilakukan analisis
absorpsi, distribusi, metabolisme, dan ekskresi (ADME) dan HKSA 3D
pleiokarpin beserta derivat aminonya sehingga dapat diusulkan
sebagai molekul terapi yang diduga lebih baik sebagai pengobatan
Alzheimer dari bahan alam.
5
