Farmakokimia #6

Pada pertemuan kali ini, dilanjutkan materi yang sebelumnya yaitu terkait dengan parameter fisika dan kimia yang mana jika sebelumnya yang dibahas adalah parameter elektronik, yang dibahas di pertemuan kali ini adalah parameter lipofilisitas dan sterik.

PARAMETER LIPOFILISITAS/HIDROFOBISITAS

Berikut adalah parameter-parameter yang termasuk ke dalam parameter lipofilisitas:

Parameter yang akan dijelaskan di bawah ini antara lain P, Rm, k' dan Log kw. Sementara parameter sisanya yaitu Log P, lipofilisitas, dan f akan dijelaskan secara tidak langsung dalam pembahasan parameter-parameter yang disebutkan sebelumnya. 

1. Koefisien Partisi (P)

Koefisien partisi merupakan rasio kadar molar zat yang terlarut pada lipid dan air sehingga rumus untuk mendapatkan parameter P adalah sebagai berikut:

Untuk menentukan suatu senyawa yang telah dirancang memiliki koefisien partisinya berapa dapat ditentukan menggunakan rumus di atas setelah melakukan eksperimen--dalam hal ini bisa juga tanpa dilakukan eksperimen ditentukan koefisien partisinya, hanya saja akan dibahas di bagian akhir--Berikut adalah prosedur menentukan koefisien partisi dengan cara eksperimen:

1. Senyawa yang sudah disintesis ditimbang saksama dan dilarutkan dalam fase yang mempunyai kekuatan melarutkan lebih besar dalam botol partisi (botol kaca, alat bulat, dan bertutup kaca).
2. Ditambahkan fase kedua dengan volume yang sama, kemudian digojok secara mekanik atau dengan tangan selama 15-20 menit, lalu disentrifugasi dengan 2000 rpm/1 jam. Masing-masing fase kemudian dianalisis.

Pada percobaan di atas, fase lipid yang digunakan biasanya adalah n-Oktanol.

Dengan adanya penggojokkan tersebut, maka senyawa akan terdistribusi pada kedua fase dan kemudian dapat ditentukan berapa koefisien partisinya. Percobaan tersebut diulang sebanyak minimal 4 kali dengan berbagai kadar. Meskipun demikian, metode penggojokkan memiliki kelemahan, antara lain:

1. Metode ini sangat peka terhadap cemaran, sehingga ada cemaran sedikit akan mengganggu hasil pengukuran. Oleh karena itu senyawa yang diuji harus semurni mungkin. 
2. Metode ini tidak bisa digunakan untuk menetapkan koefisien partisi dari senyawa yang sukar larut dalam air, mudah menguap, dan mengalami asosiasi atau disosiasi.
3. Metode ini hanya dapat menetapkan log P dengan hasil antara -2 sampai dengan 4, sehingga terbatas hanya pada rentang tersebut saja.
4. Reprodusibilitas metode ini rendah.

Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam metode ini, antara lain:

1. Untuk senyawa yang bersifat asam atau basa, di dalam air, perlu untuk didapar hingga diperoleh 99,9% senyawa dalam bentuk molekul tak terion. Oleh karena itu, penting untuk mengetahui pKa-nya.
2. Senyawa harus stabil dalam kondisi yang dipilih, dan tidak terjadi reaksi serta tidak mempengaruhi analisis.

Apabila senyawa yang dianalisis tidak bisa berada dalam bentuk tak terion, maka perlu untuk mengoreksi persamaan perhitungan rumusnya. Rumus mendapatkan koefisien partisinya adalah sebagai berikut:

Pelarut yang bisa digunakan sebagai fase lipid atau fase pelarut nonpolar ada berbagai macam yang bisa digunakan. Namun, seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, pelarut Oktanol lebih biasa digunakan. Alasannya adalah karena Oktanol memiliki sifat yang mendekati sifat atau karakter dari biomembran yaitu sukar larut dalam air, mempunyai gugus donor dan akseptor ikatan hidrogen, tidak akan terjadi desolvatasi, tekanan uapnya sangat rendah, dan toksisitasnya yang rendah. Selain itu, Oktanol juga bersifat transparan serta cut off UV-nya rendah.

Untuk menghitung kadarnya setelah dilakukan penggojokan, instrumen yang dapat digunakan antara lain Spektro UV, Kromatografi Gas Cair (KGC), dan Kromatografi Cair Kinerja Tinggi (KCKT). 

2. Retardation of migration (Rm)

Parameter ini juga memerlukan eksperimen sehingga membutuhkan senyawa rancangan yang sudah disintesis. Pengukurannya menggunakan KLT dengan fase terbalik, yang mana fase diamnya bersifat nonpolar, sementara fase geraknya bersifat polar. Berikut adalah rumus menghitung Rm:

Dalam hal ini dapat juga diperoleh nilai delta Rm yang mana merupakan parameter yang menilai hubungan senyawa yang dirancang sebelum disubstitusi dan setelah disubstitusi. Nilai delta Rm setara dengan pi atau lipofilisitas, yang artinya jika nilai delta Rm-nya tinggi maka lipofilisitasnya juga tinggi.

Berikut adalah cara menentukan parameter Rm dengan cara eksperimen:

1. Senyawa dilarutkan dalam metano--atau pelarut lain yang sesuai dan mudah menguap--dan ditotolkan pada lempeng kaca yang sudah disiapkan untuk kromatografi.
2. Lempeng gel silika perlu untuk dibacam dengan jumlah kecil parafin cair atau minyak silikon (karena metode ini menggunakan fase terbalik, maka fase diam silika yang bersifat polar dibacam dengan parafin cair agar menjadi nonpolar. Dibacam bukan artinya direndam, melainkan dielusi seperti biasa dengan parafin cair tersebut.
3. Kemudian, eluen dibuat menggunakan campuran air dengan pelarut organik yang dapat bercampur baik dengan air.
4. Selanjutnya, dielusi secara menaik dalam tangki tertutup hingga jenuh kurang lebih hingga mencapai 15 cm, lalu diangkat dan dikeringkan.
5. Berikutnya, didekteksi bercaknya dan dihitung nilai Rf-nya.  

Dalam hal ini terdapat keuntungan dan kerugian menggunakan KLT. Keuntungannya antara lain:

• Cepat dan murah karena alat dan caranya sederhana
• Metode ini tidak memerlukan senyawa yang harus murni
• Dapat dilakukan secara simultan (terjadi dalam waktu yang bersamaan) untuk beberapa senyawa

Sementara kerugiannya antara lain:

• Reprodusibilitasnya kurang baik atau rendah
• Suatu literatur menyebutkan hanya dapat digunakan untuk uji senyawa yang berupa seri homolog, meskipun demikian terdapat literatur lain yang mengatakan bahwa senyawa analog juga dapat digunakan. Yang dimaksud sebagai seri analog adalah memiliki rumus molekul yang sama, misalnya senyawa alkana (CnH2n+2), sementara senyawa analog yang dimaksud adalah senyawa yang saling berbeda gugus fungsinya, misalnya alkohol dengan metil, dan seterusnya. 
• Pengujian hanya dapat dialkuan dengan rentang pH antara 2 sampai 8 sehingga kondisi yang bisa dibuat terbatas. 
• Untuk senyawa yang dapat terion akan sering menghasilkan nilai yang lebih tinggi sehingga menjadi kurang tepat.

3. Faktor Kapasitas Isokratik (k')

Juga merupakan parameter yang diperoleh dengan cara eksperimen, yaitu dengan menggunakan KCKT. Berikut adalah rumusnya:

Dalam metode ini juga digunakan fase terbalik yang mana fase diam yang digunakan adalah Oktadesilsilana (C18) dan fase geraknya adalah metanol/air atau asetonitril/air. Metode ini juga memiliki keuntungan dan kerugiannya. Keuntungannya antara lain jarak penggunaannya sangat luas (bukan berarti tidak ada batasan, hanya saja apabila KLT hanya bisa untuk pH antara2-8, KCKT bisa lebih dari itu tetapi tetap ada batasannya), dan tidak memerlukan proses pemurnian. Sementara kerugiannya antara lain hanya untuk seri homolog (tetapi beberapa analog juga bisa), jarak  pH terbatas (tergantung dengan kemampuan daya tahan kolom), serta pada penetapan k' untuk senyawa basa, diperlukan untuk adanya penambahan dengan senyawa amina pada eluen untuk menekan interaksi sampel dengan gugus silanol pada fase diam sehingga dengan demikian dapat dipastikan bahwa benar-benar faktornya karena partisi untuk menentukan log k.

4.Indeks Lipofilisitas (Log Kw)

Merupakan parameter yang diperoleh dengan melakukan ekstrapolasi linier k' terhadap 100% air dalam fase gerak yang digunakan dalam analisis kKCKT. Contohnya adalah seperti penetapan log Kw, Divanilidenasikloheksanon (DVC) seperti pada contoh di bawah ini:

Bagaimana jika ingin mengetahui parameter lipofilik untuk senyawa yang masih dalam rancangan dan belum disintesis seperti yang telah dibahas sebelumnya? 

Hansch dan Fujita memiliki suatu sistem untuk menjawab persoalan tersebut. Keduanya mengembangkan suatu metode untuk perhitungan sifat lipofilik senyawa dengan menyesuaikan persamaan Hammet untuk lipofilisitas. Berikut adalah rumus perhitungannya:

Dan berikut adalah contoh perhitunganya:

Di bawah ini adalah tabel yang digunakan dalam menentukan nilai pi-nya:

Dari contoh hasil perhitungan di atas, ada yang mendekati nilai hasil pengamatan, tetapi ada juga yang tidak terlalu jauh atau bisa dikatakan cukup jauh dari hasil pengamatan seperti pada Dietilbesterol sehingga memang masih belum memuaskan. Dengan demikian, merangsang peneliti lain untuk merancang metode baru, yaitu sistem Recker.

Sistem Hansch dan Fujita ternyata kurang memuaskan karena adanya beberapa alasan antara lain:

• Tidak dapat digunakan untuk menghitung log P senyawa yang memiliki bobot molekul rendah.
• Nilai pi (H) yang dikatakan = 0,00 diragukan.
• Faktor melipat (folding) karena adanya dipol hanya berlaku pada momen dipol adanya elektronegativitas X.
• Ada bukti bahwa interaksi difenhidramin dengan model reseptor terikat dalam bentuk tidak melipat sehingga perhitungan log P difenhidramin dainggap kurang mantap.

Kemudian Nys dan Rekker (1973) menyelidiki sejumlah senyawa dan melakukan analisis regresi, dan menemukan bahwa nilai lipofilisitas H pada CH, CH2, CH3, serta substituen atom C jenuh tidak sama dengan 0,00 pada atom H-nya, jadi atom H memiliki nilai juga. Dalam hal ini, mereka mengusulkan parameter pengganti pi yaitu f sebagai bagian dari penusun struktur dari seluruh fragmen. Dengan demikian perhitungannya untuk senyawa tertentu akan menjadi seperti di bawah ini:

Penelitian untuk mendapatkan nilai lipofilisitas fragmen dilakukan secara bertahap dan berkelanjutan, dengan menyelidiki ribuan senyawa yang mewakili berbagai jenis struktur. Jadi penelitiannya terus berkembang dan diperbaiki. Pada tahun 1979, Rekker mempublikasikan tabel tetapan fragmen dan dipublikasikan kembali oleh Rekker dan manhold (1992) setelah dilakukan penyempurnaan.

Terdapat suatu paramater dalam perhitungannya yaitu Magic Constant (Cm) suatu tetapan aneh yang digunakan untuk memperbaiki ketidaksesuaian antara log P pengamatan dengan log P hitungan berdasarkan penjumlahan fragmen yang mana bernilai 0,289. Dengan ini, persamaan penentuan Log P menjadi:

Berikut adalah ringkasan dari faktor Cm untuk beberapa macam senyawa.

Dan berikut adalah contoh perhitungannya:

Terdapat perhitungan lain dengan sistem Recker ini untuk senyawa-senyawa yang terlalu banyak cabangnya, cara perhitungannya adalah seperti pada contoh perhitungan di bawah ini:

Berikut adalah tabel Recker yang digunakan untuk menentukan nilainya:

Menentukan nilai kn memang tidak mudah dalam perhitungan ini. Meskipun banyak program perhitungan, akurasi masih kurang, jadi memang masih banyak yang perlu didiskusikan terkait dengan hal ini.

PARAMETER STERIK

Berikut adalah beberapa parameter sterik:

• Es TAFT
• Jari-jari (rv)
• Berat molekul (M)
• Volume molar
• Refraksi molar (MR)
• Parakor (P)

1. Es

Dikembangkan oleh TAFT yang mana diperoleh dari percobaan kinetika reaksi hidrolisis terkatalisis asam dari ester-ester asam karboksilat. Berikut adalah reaksinya:

Keterangan pada gambar untuk huruf r dan s yang berwarna merah:
r menunjukkan bahwa reaksi berlangsung dengan cepat. sementara s menunjukkan bahwa reaksi berlangsung dengan lambat.

Berdasarkan reaksi di atas, yang menjadi penentu laju reaksi adalah serangan nukleofilik molekul air pada ester yang terprotonasi (s) dan laju reaksi terutama dipengaruhi oleh faktor sterik yang disebabkan oleh gugus R di sekitar gugus C=O. Dalam hal ini, apabila gugus R besar, maka akan menghalangi, dan akan lebih memperlambat reaksi. 

Lain hal nya, gugus ganti pada kedudukan meta dan para pada ester asam benzoat tidak akan mempengaruhi laju hidrolisis terkatalisis asam. Menurut Hancock, reaksi ini dipengaruhi oleh efek hiperkonjugatif sehingga tidak mengikuti persamaan TAFT. Dengan demikian nilai Es perlu untuk dikoreksi dengan rumus sebagai berikut:

Koreksi ini didukung oleh perhitungan mekanika kuantum. Sementara untuk nilai Es untuk banyak gugus ganti tidak dapat diukur. Dengan demikian, mengetahui adanya nilai Es pada beberapa gugus terebu, akan bisa digunakan untuk memprediksi kecepatan hidrolisis dari suatu ester yang dibandingkan dengan ester asam asetat. 

2. Jari-jari 

Berikut adalah perhitungan untuk jari-jari efektif:

Berikut adalah tabel parameter jari-jari:

3. Berat molekul, volume molar, refraksi molar (MR), dan parakor (P)

Berat molekul menunjukkan bulk relatif gugus ganti. Sementara volume molar, refraksi molar, dan parakor juga memiliki level yang sama dengan berat molekul, yaitu bersifat aditif sesuai dengan penyusun strukturnya.

Volume satu molar adalah volume satu mol yang mana dapat dilihat pada literatur dalam tabel.

Refraksi molar dapat diperoleh dengan rumus berikut:

Sementara parakor dapat diperoleh dari rumus di bawah ini:

Berikut adalah nilai refraksi molar dan parakor:

4. Sudur dan jarak ikatan

Parameter ini dikembangkan oleh Verloop dkk pada tahun 1976. Parameter ini trdiri dari L, B1 sampai dengan B4, B5 yang mana dapat diperoleh dengan menggunakan program komputer STERIMOL yang mana mampu memperlihatkan output yang berbeda berkenaan dengan bentuk molekul dan gugus ganti. 

Berikut adalah contoh penerapan pada studi hubungan struktur aktivitas yaitu berupa aksi penghambatan enzim kolinesterase lalat rumah oleh turunan fenil-N-metilkarbamat. 

Pada hasil perhitungan pertama, dilibatkan parameter elektronik dan lipofilisitas  saja yang mana didapatkan nilai r = 0,0855. 

Sementara pada hasil perhitungan kedua, dilibatkan juga parameter steriknya dan diperoleh nilai r yang lebih baik yaitu 0,944.

Hingga terakhir, pada perhitungan, parameter sterik diganti dengan B1 hasilnya menjadi lebih baik yaitu nilai r = 0,963.

Demikian yang dapat saya sampaikan. Mohon maaf apabila terdapat kesalahan. Semoga bermanfaat. Terima kasih sudah berkunjung :D