Aspek fisikokimia obat dan aktivitas obat Pokok Bahasan: 1. Struktur air 2. Solubilitas 3. Koefisien partisi 4. Aktivitas permukaan 5. Aspek stereokimia kerja obat 6. Struktur elektronik dan efeknya 7. Ikatan kimia dan aktivitas biologi

Aspek fisikokimia obat dan aktivitas obat Sifat fisikokimia menggambarkan karakteristik obat (dalam lingkungan air maupun lipid) dan membantu menentukan kemampuan obat berpenetrasi menembus barrier dan mencapai reseptor di seluruh tubuh.

Aspek fisikokimia obat dan aktivitas obat Semua molekul obat berinteraksi dengan struktur biologis (ex. biomembran, nukleus sel), biomolekul (ex. lipoprotein, enzim, asam nukleat) dan molekul kecil lain. Semua reaksi biologis terjadi dalam media air atau pada antar muka air-lipid  pemahaman tentang sifat air penting untuk memahami interaksi molekul obat dengan air.

1. Peran dan Struktur Air Air : kandungan utama dalam makhluk hidup dan sel­selnya. Obat didistribusikan melalui pembuluh darah yang banyak mengandung air.

Selain itu sebagian besar sisi reseptor terendam di dalam air. Gambar: air di antara hemoglobin dimerik, membentuk ikatan hidrogen dengan backbone protein heme.

Peran Air Air merupakan senyawa kimia yang sangat reaktif dan unik. Selain merupakan solven universal, air terlibat dalam berbagai reaksi, sehingga berperan bukan hanya sebagai medium inert. Solubilitas, aktivitas permukaan, ikatan hidrogen, ikatan hidrofobik, ionisasi, keasaman dan efek solvasi pada konformasi makromolekul, semuanya melibatkan air.

Struktur Air Struktur air merupakan konsekuensi dari sifat unik dan tak biasa dari molekul H2O. Sudut ikatan H-O-H (104,5o)  menyebabkan air sangat polar. Atom O yang lebih elektronegatif menarik elektron dari ikatan O-H  atom H bermuatan parsial positif (δ+), sedangkan atom O bermuatan parsial negatif (δ-)

Struktur Air Karena molekulnya tidak linear, air memiliki momen dipole. Muatan parsial positif dan negatif dari satu molekul air akan secara elektrostatik berikatan dengan lawannya di molekul air yang lain  membentuk ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen juga terjadi antara molekul air dengan gugus hidroksil, karbonil dan amino (-OH, C=O, NH)

Struktur Air Gugus fungsi polar (ex. aldehid, keton, amina) memiliki pasangan elektron bebas dan mudah membentuk ikatan hidrogen dengan air. Senyawa dengan gugus-gugus fungsi tsb, kelarutannya dalam air tergantung proporsi bagian polar dan nonpolar dalam molekulnya. Solut dapat menyebabkan perubahan sifat air karena “amplop” hidrat (yang terbentuk di sekitar ion solut) lebih stabil drpd kluster air bebas.

Struktur Air Sifat larutan (titik beku, titik didih, tekanan osmotikm dll) tergantung dari konsentrasi solut, dan berbeda dari sifat air murni. Interaksi antara solut dengan fase padat (ex. obat dengan reseptor lipoprotein) melibatkan air. “Amplop” hidrat ini akan terbentuk atau dirusak dalam interaksi di atas dan berkontribusi terhadap perubahan konformasi makromolekul reseptor obat.

2. KELARUTAN / SOLUBILITAS Air adalah kandungan terbesar dalam tubuh manusia  semua reaksi biokimia berdasar pada molekul kecil terlarut dalam fase air atau makromolekul terdispersi dalam fase air (biasanya keduanya). Sebaliknya struktur non-air penting dari sel (membran plasma, organela membran) adalah lipid alami dan bersifat melarutkan molekul hidrofobik nonpolar.

SIFAT KELARUTAN MOLEKUL OBAT Kelarutan merupakan sifat penting dari molekul obat karena obat hanya dapat berinteraksi dengan reseptor bila dalam bentuk larutan. Kelarutan merupakan fungsi dari berbagai parameter molekular : ionisasi, struktur dan ukuran molekul, stereokimia, dan struktur elektronik lain yang terlibat dalam interaksi antara solut & solven.

SIFAT KELARUTAN MOLEKUL OBAT Senyawa melarut dalam air dan lemak dengan cara yang berbeda: Air membentuk ikatan hidrogen dengan ion atau senyawa polar non ionik melalui gugus –OH, -NH, -SH atau C=O, atau dengan pasangan elektron bebas pada atom N atau O. Antara lemak (atau pelarut nonplar) dengan senyawa nonpolar terjadi interaksi hidrofobik dan ikatan van der Waals. Hasil sama: pembentukan dispersi molekular solut di dalam solven.

Ikatan hidrogen: Ikatan H intramolekuler o-nitrofenol

Contoh Hubungan Kelarutan Molekul Obat dengan Aktivitas: Aktivitas anestesi lokal ester asam p-aminobenzoat (PABA) sangat tergantung kelarutannya dalam lemak. Aktivitas bakterisida alkohol alifatik: n-butanol & n-pentanol aktif thd S. aureus, tapi seri yang lebih panjang tidak aktif. Efek kelarutan thd aktivitas obat: tergantung keseimbangan antara fase air dan fase lipid dari membran sel  koefisien partisi

3. KOEFISIEN PARTISI Koefisien Partisi (P) didefinisikan sebagai konstanta keseimbangan antara konsentrasi obat dalam dua fase (lipid dan air) [obat]lipid P = [obat]air Nilai P ditentukan secara in vitro dengan model n-oktanol untuk fase lipid dan larutan bufer pH 7,4 untuk fase air.

KOEFISIEN PARTISI Koefisien Partisi (P atau log P) mempengaruhi karakteristik transport obat selama fase farmakokinetika  mempengaruhi cara obat mencapai sisi aktif dari tempat administrasi. Obat didistribusikan dalam darah, tapi harus berpenetrasi menembus berbagai barier untuk mencapai sisi aktifnya. P menentukan jaringan mana yang dicapai oleh obat, di mana obat akan terikat, dll.

4. AKTIVITAS PERMUKAAN Walaupun kemampuan menembus membran penting, aktivitas biologi juga bisa dipengaruhi oleh aktivitas permukaan. Reaksi farmakologi bisa terjadi di permukaan biologis atau antarmuka. Energi pada permukaan sangat berbeda dengan dalam larutan karena adanya gaya intermolekular khusus.

AKTIVITAS PERMUKAAN Membran merupakan permukaan terluas, membungkus semua sel dan organela sel (nukleus, mitokondria, dll). Makromolekul terlarut seperti protein juga mempunyai luas permukaan yang besar (dalam 1 ml serum darah manusia, luas permukaan protein adalah ±100m2).

AKTIVITAS PERMUKAAN Membran biologi juga memiliki sifat: Menyediakan tempat2 menempelnya sejumlah besar enzim dalam orientasi yang tepat Menyediakan dan menjaga urutan serangkaian enzim yang memungkinkan efisiensi reaksi multistep Membatasi sel-sel dan berbagai kompartemen jaringan Tempat terikatnya banyak reseptor obat

AKTIVITAS PERMUKAAN Berdasarkan fakta di atas  sifat fisikakimia dan dan struktur permukaan sangat penting untuk aktivitas biologi. Contoh obat dengan aktivitas permukaan : deterjen antimikrobial dan desinfektan  keduanya bekerja dengan cara berinteraksi dengan membran biologis.

Deterjen dan Interaksi Permukaan Senyawa amfifilik (mempunyai gugus hidrofilik maupun hidrofobik) akan terkonsentrasi pada permukaan sehingga mempengaruhi sifat permukaan pada antarmuka. Dengan cara ini deterjen amfifilik (melalui ikatan hidrogen dengan air dan interaksi nonpolar dengan fase organik) menjaga orientasi yang memastikan energi potensial terendah pada permukaan.

Deterjen dan Interaksi Permukaan Interaksi molekul sabun pada batas air-minyak. : anion karboksilat (gugus polar, “kepala”) : rantai alkil hidrofobik (nonpolar, “ekor”)

Deterjen dan Interaksi Permukaan Deterjen/sabun membentuk larutan koloidal. Pada konsentrasi sangat rendah, molekul sabun akan terdispersi secara individual. Pada konsentrasi lebih tinggi molekul akan punya cukup energi untuk memindahkan “ekor” hidrofobik dari fase air dan saling berinteraksi membentuk fase nonpolar dengan bagian kepala di fase air (bisa berbentuk sferis atau silindris).

Deterjen dan Interaksi Permukaan Konsentrasi di mana agregat molekul (micelles) ini terbentuk disebur critical micellar concentration  dapat ditentukan dengan mengukur difraksi cahaya sebagai fungsi konsentrasi (difraksi akan meningkat tajam saat micelles terbentuk). Bila didispersikan dalam minyak, micelles yang terbentuk berkebalikan. Sifat molekul amfifil ini menjelaskan bagaimana sabun dapat mendispersikan partikel nonpolar dalam air.

5. ASPEK STEREOKIMIA KERJA OBAT Reseptor obat bisa berupa makromolekul biologis yang asimetrik dan aktif optik (seperti protein, polinukleotida atau glikolipid). Obat-obat yang berinteraksi dengan reseptor di atas umumnya mempunyai stereokimia tertentu. Salah satu stereoisomer senyawa yang sama bisa aktif farmakologis, sedang stereoisomer lain inaktif. Penemuan pertama oleh L. Pasteur (1860), (+) dan (-) asam tartrat menunjukan aktivitas antifungi yang berbeda.

ASPEK STEREOKIMIA KERJA OBAT Komplementaritas antara obat asimetrik dengan reseptor asimetriknya berperan penting dalam aktivitas obat. Metabolisme obat juga bisa terjadi secara stereoselektif. Contoh: hidroksilasi mikrosomal diazepam menghasilkan (S)-N-metiloksazepam (aktif).

ISOMER OPTIK (Enantiomer) Enantiomer yang berbeda aktivitas farmakologinya menunjukkan bahwa interaksinya dengan reseptor terjadi pada atom C khiral, dan bahwa ketiga substituen pada atom C tsb berinteraksi dengan reseptor. Hipotesis Easson-Stedman: 3 titik interaksi O-R menjamin stereospesifisitas, satu enantiomer akan tepat (komplemen), enantiomer lain hanya akan berinteraksi pada 2 titik.

Contoh perbedaan aktivitas Enantiomer KD (konstanta disosiasi dari (-) levorphanol 10-9M  akan menduduki ½ reseptor morfin pada kadar nM KD (+) dextrophan 10-2M  dibutuhkan kadar lebih banyak. Aktivitas antikolinergik (+) Muscarine 3x lebih kuat dibanding (-) muscarine.

Stereoisomer Stereoisomer: Atom C yang terikat pada 4 gugus yang berbeda, merupakan atom C kiral atau pusat stereogenik. Beberapa dinyatakan dgn R atau S. Stereoisomer juga bisa terjadi pada ikatan rangkap  orientasi cis atau trans.

Stereoisomer Sepasang enantiomer bisa bersifat antagonis, dimana perbedaan aktivitas disebabkan oleh perbedaan sifat pengikatan. Antagonis umumnya berikatan lebih kuat dibanding agonis. Enantiomer yang kurang aktif sulit untuk menggeser ikatan enantiomer pasangannya dari reseptor. Diastereomer: mempunyai 2 pusat kiral, umumnya aktif hanya pada 1 konfigurasi. Tidak seperti enantiomer yg sifat fisikokimianya identik, masing2 diastereomer menunjukkan ADME berbeda.

Aktivitas Farmakologi Enantiomer Stereoselektivitas: Enantiomer yang berikatan lebih tepat disebut eutomer, sedang yang afinitasnya lebih rendah disebut distomer. Rasio afinitas Eutomer-Distomer disebut Rasio Eudismik, dinyatakan sbg Indeks Eudismik (EI). EI = log afinitas Eu – log afinitas Dist Awalnya distomer dianggap inaktif shg pemisahan rasemat dinilai tdk menguntungkan. Ariens et al. (1980an) melaporkan pentingnya penggunaan enatiomer murni dalam terapi.

Aktivitas Farmakologi Enantiomer Distomer merupakan impurity (50%) yg berpotensi menimbulkan efek tak diinginkan antara lain: 1. berkontribusi thd efek samping 2. menutupi aktivitas eutomer 3. dimetabolisme mjd senyawa dgn aktivitas tak diinginkan 4. dimetabolisme mjd senyawa toksis Kadang penggunaan rasemat menguntungkan, mis. lebih poten dibanding enantiomer seperti pada isothipendil (antihistamin), atau dalam tubuh distomer diubah menjadi eutomer (ex.ibuprofen)

6. STRUKTUR ELEKTRONIK DAN EFEKNYA Struktur elektronik molekul memungkinkan terjadinya interaksi O-R, melalui ikatan hidrogen, interaksi elektrostatik, dll. Struktur kimia suatu molekul obat, reaktivitas kimiawinya dan kemampuannya berinteraksi dgn reseptor sangat tergantung struktur elektronik, yaitu distribusi dan penataan, sifat alami dan interaksi antar elektron dalam molekul. Umumnya efek distribusi elektron dalam suatu molekul dapat langsung atau tak langsung.

6. Struktur elektronik dan efeknya Efek elektronik langsung: terutama melibatkan ikatan kovalen, di mana terjadi overlap orbital elektron. Kekuatan ikatan kovalen, jarak interatom dan konstanta disosiasi secara langsung merupakan konsekuensi dari sifat masing-masing atom kovalen. Pasangan elektron bebas pada heteroatom (O, N, S dan P) juga berperan penting dalam karakteristik obat  merupakan dasar ikatan hidrogen, pembentukan kompleks transfer-muatan dan ikatan ionik.

6. Struktur elektronik dan efeknya Efek elektronik tak langsung: terjadi pada jarak yang lebih panjang, tanpa perlu terjadi overlap orbital. Contoh: interaksi ionik elektrostatik, dimana efek gaya antar ion menurun berdasarkan jaraknya. Efek induksi seperti ikatan van der Waals dan momen dipol, merupakan hasil polarisasi  induced distortion dari distribusi elektron dalam molekul  parameter penting dalam aktivitas biologis.

Ionisasi molekul obat Ionisasi (dinyatakan sebagai pKa) merupakan sifat penting struktur elektronik, karena mempengaruhi absorpsi dan kemampuan obat menembus membran sel. Transport obat selama fase farmakokinetika ditentukan oleh peningkatan kelarutan bentuk ionik dan peningkatan kemampuan bentuk anionik berpenetrasi ke dalam lapisan lipid bilayer membran. Obat harus menembus banyak barrier lipid sebelum mencapai reseptor di sisi aktifnya.

Ionisasi molekul obat Membran sel terdiri dari berbagai spesi ionik (posfolipid, protein) yg dapat menolak atau mengikat senyawa ionik. Juga banyak kanal ion (dilapisi gugus fungsi polar). Obat melewati membran dalam bentuk tak terion, tapi jika ionisasi mungkin terjadi, bekerja dalam bentuk ion. Obat dengan rentang pKa 6-8 menguntungkan karena setelah melewati membran, bentuk tak terionnya sangat mungkin menjadi terion. Pertimbangan di atas tidak berlaku untuk obat dengan mekansime transport aktif.

Ionisasi molekul obat Tingginya derajat ionisasi dapat mencegah obat diabsorpsi sehingga mencegah toksisitas sistemik  menguntungkan untuk desinfektan topikal atau antibakteri sulfonamid untuk tujuan terapi infeksi saluran cerna. Derajat ionisasi dinyatakan dengan persamaan Henderson-Hasselbach: % terion = 100 / (1 + antilog [pH – pKa ])

Distribusi ion dalam molekul obat Distribusi elektron dalam molekul dapat diestimasi dan ditentukan dengan metode eksperimental seperti pengukuran momen dipol, NMR atau difraksi sinar X. Difraksi sinar X sangat akurat menentukan peta densitas elektron, tapi hanyak molekul dalam bentuk padatan. Perhitungan distribusi elektron secara teliti dan mudah dapat dilakukan dengan metode mekanika kuantum.

Distribusi ion dalam molekul obat Selain itu mekanika kuantum juga dapat digunakan untuk menghitung energi orbital terdelokalisasi. HOMO (highest occupied molecular orbital) dan LUMO (lowest occupied molecular orbital) merupakan ukuran kapasitas donor-elektron dan akseptor-elektron, sehingga dapat digunakan untuk menentukan donor dan akseptor dalam reaksi transfer muatan. HOMO/LUMO juga dapat mengestimasi sifat reduksi atau oksidasi suatu molekul.

HOMO - LUMO

Distribusi ion dalam molekul obat Semakin kecil nilai HOMO (nilainya +), semakin baik sifat molekul sbg donor elektron (nilai kecil menyatakan semakin kecil energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron). Semakin kecil perbedaan LUMO (nilainya -), semakin stabil orbital untuk menerima elektron, menunjukkan sifat sebagai akseptor elektron. Penentuan nilai HOMO-LUMO sepasang obat dapat digunakan untuk menentukan apakah akan terjadi kompleks transfer muatan, dan senyawa mana yang bertindak sebagai donor atau akseptor.

7. IKATAN KIMIA DAN AKTIVITAS BIOLOGI Dalam batasan molekular, aktivitas obat diawali dengan interaksi dengan reseptor pada level atom. Asosiasi antara molekul kecil (obat) dengan makromolekul (reseptor) terjadi karena interaksi intermolekuler dan ikatan kimia. Ikatan kovalen • interaksi ionik Interaksi ion−dipol & dipol−dipol Ikatan hidrogen • kompleks transfer muatan Interaksi hidrofobik • gaya Van der Waals

7.1. Ikatan Kovalen Walaupun sangat penting dalam kimia organik, ikatan kovalen kurang penting dalam interaksi O-R. Interaksi O-R melalui ikatan kovalen justru tidak diinginkan, karena interaksi akan terjadi dalam jangka panjang  potensi toksisitas. Hanya reseptor tertentu membutuhkan interaksi melalui ikatan kovalen (enzim atau DNA), yaitu bila targetnya bersifat eksogen, mis. bakteri, virus, parasit atau tumor. Ikatan kuat (~40-110kkal/mol)

7.1. Contoh Ikatan Kovalen Penisilin bekerja dgn mengasilasi enzim transpeptidase bakteri yang penting untuk sintesis dinding sel. Senyawa antiparasit menginaktifkan enzim tiol dari parasit melalui ikatan antara logam berat (As, Bi, Sb) dengan atom sulfur gugus thiol enzim. Senyawa antitumor nitrogen mustard mengalkilasi gugus amino basa guanin dalam DNA dan meng-crosslink 2 strands DNA double helix, mencegah replikasi dan transkripsi gen.

7.2. Ikatan Ionik Ikatan ionik terbentuk antara ion dengan muatan berlawanan. Interaksi elektrostatiknya sangat kuat. Ikatan ionik terjadi di banyak tempat, berperan penting dalam aktivitas senyawa terionkan. Ex: interaksi antara gugus karboksilat (muatan -) dengan amonium (muatan +). Gugus basa seperti: amina (dari arginin, lisin, histidin) Gugus asam seperti: asam karboksilat, fosfat, sulfonat (asam glutamat, aspartat) Energi : ~ 5 kkal/mol (tergantung muatam & jarak ikatan)

7.2. Ikatan Ionik Penambahan gugus bermuatan sangat polar seperti sulfonat akan menurunkan t1/2 obat melalui peningkatan laju ekskresi renal. Gugus bermuatan juga dapat menghalangi kemampuan obat menembus sawar darah otak. Contoh:

7.3. Interaksi Dipol-dipol Dipol dihasilkan dari ikatan antara 2 atom dgn elektronegativitas yg berbeda Molekul yang mempunyai muatan parsial terpisah antara atom atau gugus fungsi, dapat saling berinteraksi (via interaksi dipol-dipol atau dipol dengan ion). Karena banyak gugus fungsi mempunyai momen dipol, interaksi dipol-dipol sering terjadi. Ex: gugus fungsi karbonil (C=O) mempunyai dipol karena atom C adalah elektropositif, O elektronegatif. Energi −1 hingga −7 kkal/mol

7.3. Interaksi Dipol-dipol

7.4. Ikatan Hidrogen Ikatan hidrogen penting untuk menstabilkan struktur melalui ikatan intramolekular. Ex: pada struktur α-heliks protein dan pasangan basa DNA. Ikatan hidrogen merupakan interaksi elektrostatik antara pasangan elektron bebas pada heteroatom (N, O, S) sbg donor elektron, dengan atom H dari gugus -OH, -NH atau -SH. Kekuatan ikatan ini lemah dgn energi 7-40 kJ/mol.

7.5. Interaksi Transfer Muatan Kompleks transfer muatan terjadi antara molekul donor kaya elektron dan akseptor miskin elektron. Molekul donor adalah: heterosiklik kaya elektron π (furan, pirol, thiofen); senyawa aromatis dengan substituen donor elektron; atau senyawa dengan pasangan elektron bebas. Molekul akseptor adalah sistem yang miskin elektron π seperti purin, pirimidin atau senyawa aromatis dengan gugus penarik elektron (ex. Asam pikrat).

7.5. Interaksi Transfer Muatan Interaksi O-R sering melibatkan pembentukan kompleks transfer muatan. Ex: reaksi obat antimalaria klorokuin dengan reseptornya (DNA parasit), atau antibiotik yang berinteraksi dengan DNA. Energi transfer muatan sesuai dengan potensial ionisasi donor dan afinitas elektron dari reseptor (tidak >30 kJ/mol).

7.6. Ikatan van der Waals Ikatan van der Waals bisa terjadi pada semua atom, berdasarkan polarisabilitas  induksi asimetris awan elektron pada atom oleh nukleus atom tetangga. Ikatan van der Waals lemah, tapi gabungan beberapa ikatan vdW membentuk energi yg kuat.

7.7. Interaksi hidrofobik Gugus hidrofob menyebabkan molekul air berorientasi di sekitarnya  energi tinggi Bila 2 gugus hidrofobik berdekatan, molekul air akan berkurang  penurunan energi  energi bebas interaksi hidrofobik (~0,7 kkal/mol per interaksi CH2-CH2)

7.7. Interaksi hidrofobik

Interaksi non-kovalen lemah Conclusion: Interaksi non-kovalen lemah Gabungan beberapa jenis interaksi bisa menjadi titik kritis interaksi obat-rseptor beberapa interaksi lemah bisa menjadi interaksi kuat

See you next week.....