BAB I

PENDAHULUAN


Pengantar Kimia Komputasi
Prof. Dr. Harno Dwi Pranowo, M.Si
Silahkan klik di sini!



Mata kuliah Kimia Komputasi mencakup pembelajaran tentang konsep dasar kimia komputasi yang menyangkut metode kimia komputasi dan penerapannya. Materi kuliah kimia komputasi meliputi ruang lingkup kimia komputasi dan pemodelan molekul, metode kimia komputasi yang terdiri dari metode mekanika molekular, semiempiris, ab initio dan korelasi elektron. Hubungan Kuantitatif struktur-aktivitas (HKSA) juga akan dibahas dalam matakuliah ini. Materi praktikum/demo perangkat lunak juga akan diberikan untuk dapat secara langsung mengetahui penggunaan pemodelan molekul dalam menyelesaikan permasalahan kimia.

Tujuan Instruksional Umum :

Setelah mengikuti matakuliah ini, mahasiswa akan dapat menjelaskan tentang beberapa metode kimia komputasi dan dapat membedakan keunggulan dan kelemahan setiap metode kimia komputasi sehingga dapat menerapkan dalam  pemodelan molekul-molekul sederhana

 

Tujuan instruksional khusus BAB I adalah:

Setelah mengikuti kuliah ini, mahasiswa akan dapat menjelaskan  pengertian dan perbedaan antara pemodelan molekul, kimia komputasi dan kimia teori.

 

1.1 Pengertian Pemodelan Molekul

 

Dewasa ini, eksperimen komputer memainkan peranan yang sangat penting dalam perkembangan sains. Pada masa lalu, sains ditunjukkan oleh kaitan antara eksperimen dan teori. Dalam eksperimen, sistem diukur dan hasilnya dinyatakan dalam bentuk numerik. Dalam teori, model suatu sistem pada umumnya disusun dalam bentuk himpunan persamaan matematik. Dalam banyak hal, pemodelan diikuti oleh penyederhanaan permasalahan dalam upaya menghin-dari kompleksitas perhitungan, sehingga sering aplikasi dari model teoritis ini tidak dapat menjelaskan bentuk nyata dari sistem makroskopis, seperti sistem larutan, protein dan lain lain.

Perkembangan kimia komputasi yang sangat pesat -dimulai pada tahun 1950- telah mengubah diskripsi suatu sistem kimia dengan masuknya unsur baru di antara eksperimen dan teori yaitu eksperimen komputer (Computer Experiment). Dalam eksperimen komputer, model masih tetap menggunakan hasil dari pakar kimia teoritis, tetapi perhi-tungan dilakukan dengan komputer berdasar atas suatu "resep", algoritma yang dituliskan dalam bahasa pemro-graman. Keuntungan dari metode ini adalah dimungkin-kannya menghitung sifat molekul yang kompleks dan hasil perhitungannya berkorelasi secara signifikan dengan data eksperimen.

Perkembangan eksperimen komputer mengubah secara substansial hubungan tradisional antara teori dan eksperi-men. Simulasi komputer membutuhkan suatu metode yang akurat dalam memodelkan sistem yang dikaji. Simulasi sering dapat dilakukan  dengan kondisi yang sangat mirip dengan eksperimen sehingga hasil perhitungan kimia komputasi dapat dibandingkan secara langsung dengan eksperimen. Jika hal ini terjadi, maka simulasi bersifat sebagai alat yang sangat berguna, bukan hanya untuk memahami dan menginter-pretasi data eksperimen dalam tingkat mikroskopik, tetapi juga dapat mengkaji bagian yang tidak dapat dijangkau secara eksperimen, seperti reaksi pada kondisi tekanan yang sangat tinggi atau reaksi yang melibatkan gas berbahaya.

Penelitian kimia dengan alat komputer pada era 1950-an dimulai dengan kajian hubungan struktur kimia dengan aktivitas fisiologi dari senyawa. Salah satu ahli kimia yang berjasa besar dalam bidang ini adalah John Pople yang  berhasil mengkonversi teori-teori fisika dan matematika ke dalam kimia melalui program komputer. Metode kimia komputasi memungkinkan para kimiawan melakukan penentuan struktur dan sifat suatu sistem kimia dengan cepat. Bidang yang sangat terbantu dengan berkembang kimia komputasi adalah bidang kristalografi.

Dua peneliti dalam bidang kimia komputasi telah memenangkan hadiah Nobel bidang sains pada tahun 1998 yaitu Walter Kohn dengan teori fungsional kerapatan (Density Functional Theory, DFT) dan John A. Pople yang telah berjasa dalam mengembangkan metode komputasi dalam kimia kuantum. Mereka telah memberi peluang para kimiawan mempelajari sifat molekul dan interaksi antar molekul. John Pople telah mengembangkan kimia kuantum sebagai suatu metode yang dapat digunakan oleh hampir semua bidang kimia dan membawa kimia ke dalam era baru yaitu eksperimen dan teori dapat bekerja bersama dalam mengekplorasi sifat sistem molekular. Salah satu produk program komputasi kimia yang dihasilkan oleh Pople adalah GAUSSIAN.

          Tahun belakangan ini dapat dilihat kenaikan jumlah orang yang bekerja pada kimia teori. Kebanyakan peneliti ini adalah teoretikus kerja paruh waktu yaitu mereka yang sudah bekerja pada bidang kimia selain kimia teori. Kenaikan jumlah peneliti di bidang kimia teori ini ditunjang oleh perkembangan kemampuan komputer dan perangkat lunak yang semakin mudah digunakan. Hal ini menyebabkan banyak orang  melakukan pekerjaan di bidang kimia komputasi, walaupun tanpa mempunyai pengetahuan cukup tentang bagaimana perhitungan kimia itu dijalankan oleh komputer. Sebagai hasilnya, banyak orang yang  tidak mengetahui -bahkan penjelasan yang sangat mendasar sekalipun- tentang bagaimana perhitungan dijalankan sehingga pekerjaan yang dihasilkan dapat merupakan hasil yang sesungguhnya atau hanya berupa “sampah”.

                                                                                               

1.2 Ruang Lingkup Kimia Komputasi

    

Ruang lingkup Kimia Komputasi mencakup berbagai bidang antara lain :

 

a. Dinamika molekular

          Dinamika molekular mengandung pengujian terhadap perilaku molekul atau sistem kimia sebagai fungsi waktu, seperti gerakan vibrasional atau gerakan Brownian. Hal ini sering dikerjakan dengan penjelasan mekanika klasik yang hampir sama dengan perhitungan mekanika molekular.

          Penerapan dinamika molekular pada sistem pelarut/zat terlarut memungkinkan dilakukannya perhitungan sifat sistem seperti koefisien difusi atau fungsi distribusi radial untuk digunakan dalam perhitungan mekanika statistik. Pada umumnya skema perhitungan pelarut/zat terlarut dimulai dengan sistem yang terdiri dari sejumlah molekul dengan posisi dan kecepatan awal. Energi dari posisi yang baru dihitung relatif terhadap  posisi sebelumnya untuk perubahan waktu yang kecil dan proses ini beriterasi selama ribuan langkah sedemikian hingga sistem mencapai keseimbangan. Sifat sistem seperti energi, fungsi distribusi radial dan konformasi molekul dalam sistem dapat dianalisis dengan cara pengambilan sampel dari sistem yang telah mencapai keseimbangan.

          Dalam rangka menganalisi vibrasi molekul tunggal data energi ditransformasikan secara Fourir ke dalam domain frekuensi. Puncak vibrasi yang diberikan dapat dipilih dan ditransformasikan ke dalam domain waktu, sehingga dapat dilihat gerakan apa yang menyebabkan frekuensi vibrasi tersebut.

Metode dinamika molekular merupakan metode simulasi yang sangat berguna dalam mempelajari sistem melekular seperti molekul organik dalam larutan dan senyawa makromolekul dalam proses metabolisme. Metode ini memungkinkan penggambaran struktur, sifat termodinamika dan sifat dinamis dari sistem pada fasa terkondensasi. Bagian pokok dari metodologi simulasi adalah tersedianya fungsi energi potensial yang akurat untuk memodelkan sifat dari sistem yang dikaji. Fungsi energi potensial dapat disusun melalui metode mekanika kuantum (Quantum Mechanics, QM) atau mekanika molekular (Molecular Mechanics, MM). Permasalahan yang muncul adalah QM hanya dapat digunakan untuk sistem sederhana dengan beberapa puluh satuan massa -mengingat bahwa perhitungan QM memerlu-kan waktu yang lama- sedangkan metode MM tidak cukup teliti. Untuk mengatasi permasalahan ini, dikembangkan suatu metode hibridisasi yang dikenal dengan nama  QM/MM, yaitu bagian yang penting dari sistem yang dikaji dihitung dengan metode QM, sedangkan bagian sistem yang tidak harus dijelaskan secara detail dihitung dengan metode MM. Metode QM/MM banyak digunakan dalam simulasi reaksi katalitik enzimatik, proses kimia dalam larutan dan docking suatu protein dalam reseptor.

 

b. Mekanika Statistik

Mekanika statistika adalah cara matematika untuk mengekstrapolasi sifat termodinamika dari materi secara keseluruhan (bulk) berpijak pada gambaran molekular dari materi. Banyak mekanika statistik masih dalam tataran metode kertas dan pensil, karena ahli mekanika kuantum belum dapat menyelesaikan persamaan Schroedinger secara eksak hingga sekarang sehingga ahli mekanika statistik tidak mempunyai titik awal untuk mengembangkan metode penyelesaiannya. Perhitungan mekanika statistika sering dilakukan pada akhir perhitungan ab initio terhadap sifat fasa gas. Untuk sifat fasa terkondensasi, sering perhitungan dinamika molekular diperlukan dalam rangka melakukan eksperimen komputasi.

          Salah satu metode mekanika statistika yang banyak digunakan dalam kimia komputasi adalah Monte Carlo. Dengan metode Monte Carlo, kita dapat mendapatkan gambaran tentang struktur dan energi dalam keseimbangan, tetapi tidak dapat memberikan gambaran dinamika atau sifat yang bergantung pada waktu.

 

C. Pemodelan keadaan padat

          Struktur elektronik dari kristal didefinisikan oleh plot struktur pita (band structure plot), yang memberikan energi dari orbital molekul pada setiap titik dalam ruang, yang dikenal dengan nama daerah Bruillion (Bruillion zone). Perhitungan ab initio dan semiempiris menghasilkan energi orbital, sehingga mereka dapat diterapkan pada perhitungan struktur pita. Jika perhitungan energi molekul memerlukan waktu yang lama, maka diperlukan waktu yang jauh lebih besar untuk menghitung energi setiap titik dalam daerah Bruillion.

          Perhitungan struktur pita telah dilakukan untuk sistem yang sangat komplek, namun demikian perangkat lunak belum cukup secara otomatis dan belum terlampau cepat untuk menyelesaiakan kasus-kasus struktur pita.

 

D. Termodinamika

          Termodinamika adalah satu dari sekian banyak penjelasan kimia matematis yang telah dibangun. Sering kali perlakuan termodinamika didapatkan dengan kerja kertas dan pensil karena banyak aspek kimia dapat dijelaskan secara akurat dengan pernyataan matematika yang sederhana. Perhitungan kimia komputasi akan dapat membantu penyelesaian penghitungan besaran termodinamika, terutama akan sangat berguna jika kita berhadapan dengan molekul-molekul yang besar.

E. Hubungan struktur dan sifat

          Hubungan struktur dan sifat adalah pendifinisian empiris kualitatif atau kuantitatif antara struktur molekul dengan sifat yang teramati. Dalam beberapa kasus, ini merupakan duplikat dari hasil mekanika statistika.

          Hubungan struktur dan sifat yang dikaji belakangan ini selalu merupakan hubungan matematika secara kuantitatif. Hubungan sering sekali diturunkan dengan menggunakan perangkat lunak fitting kurva untuk mendapatkan kombinasi linear sifat-sifat molekular, yang dapat memprediksi sifat-sifat yang dimaksud. Sifat molekular biasanya didapatkan dari perhitungan model molekular. Penggambaran molekular yang lain seperti massa molekul atau gambaran topologi, juga digunakan.

          Jika sifat digambarkan sebagai sifat fisika, seperti titik didih, hal ini dikenal dengan hubungan Struktur dan Sifat secara Kuantitatif (Quantitative Structure-Property Relationship, QSPR). Jika sifat digambarkan sebagai aktivitas biologis –misalnya aktivitas obat- maka dikenal sebagai hubungan kuantitatif antara Struktur dan aktivitas (Quantitative Structure-Aktivity Relationship, QSAR).

Salah satu penerapan kimia komputasi dalam bidang farmasi adalah  pada desain obat. Desain obat adalah proses iterasi yang dimulai dengan penentuan senyawa yang menunjukkan sifat biologi yang penting dan diakhiri dengan langkah optimasi, baik dari profil aktivitas maupun sintesis senyawa kimia. Tanpa pengetahuan yang lengkap tentang proses biokimia yang bertanggungjawab terhadap aktivitas biologis, hipotesis desain obat pada umumnya didasarkan pada pengujian kemiripan struktural dan pembedaan antara molekul aktif dan tak aktif. Kombinasi antara strategi untuk mensintesis dan uji aktivitasnya dapat menjadi sangat rumit dan memerlukan waktu yang lama untuk sampai pada pemanfaatan obat. Untuk itu dikembangkan pendekatan teoritis yang dapat menghitung secara kuantitatif tentang hubungan antara aktivitas biologis terhadap perubahan struktur senyawa yang dikenal dengan istilah QSAR Perkembangan lanjut dari QSAR adalah QSAR tiga dimensi, CoMFA (Comparative Molecular Field Analysis). Dalam metode CoMFA, efek sterik, elektrostatik, luas permukaan dari molekul dihubungkan pada deskripsi molekular spesifik (substituen).

 

F. Perhitungan simbolik

          Perhitungan simbolik dikerjakan jika sistem sangat besar untuk digambarkan sebagai atom per atom sesuai dengan tingkat pendekatan yang ditetapkan. Sebagai contoh adalah pemodelan membran sel dengan menggunakan struktur lemak secara individual sebagai pengganti poligon dengan beberapa persamaan matematik yang mewakili energi interaksinya. Perlakuan simbolik banyak digunakan pada komputasi bidang biokimia dan mikrobiologi.

G. Intelegencia artificial

          Teknik yang diciptakan oleh ahli komputer yang tertarik dalam intelegensi artifisial telah diterapkan pada kebanyakan kegiatan perancangan obat pada tahun belakangan ini. Metode ini juga dikenal dengan nama de Novo atau rancangan obat rasional (rational drug design). Skenario umumnya adalah beberapa sisi fungsional diidentifikasi dan dilanjutkan dengan melihat struktur molekular yang akan berinteraksi dengan sisi tersebut agar dapat menentukan fungsi atau aktivitasnya. Berbeda dengan yang dilakukan oleh ahli kimia dengan mencoba ratusan bahkan ribuan kemungkinan dengan program mekanika molekular. Dalam metode ini hasil mekanika molekular diintegrasikan ke dalam program intelegensi artifisial yang mencoba sejumlah kecil kemungkinan yang beralasan secara otomatis. Sejumlah teknik untuk mengambarkan bagian “intelegen”  dari operasi ini sangatlah luas dan tidak mungkin untuk membuat generalisasi bagaimana implementasi dari program ini.

 

H.    Visualisasi molekul

Walaupun hanya untuk molekul organik kecil seperti norbornana, terdapat beberapa cara untuk menampilkan strukturnya. Teknik visualisasi bergantung pada gambaran apa yang menjadi ketertarikan kita. Kita dapat memvisualisasi norborna dalam 2 dimensi dengan sisi yang mendatar pada cincin beranggota enam, beranggota 5 atau dengan menggunakan rasmol, kita dapat menggambarkan secara 3-Dimensi (3-D)

norborna

Masalah dalam visualisasi struktur 3-D dari molekul akan semakin jelek jika ukuran molekul naik. Perhatikan bahwa struktur berikut sudah mulai sulit untuk dideskripsikan dengan hanya menggunakan model 2-D.

 

I.      Kajian konformasi dan struktur molekul

Hal ini menyangkut pengambaran side-chain pada satu orientasi daripada yang lain, bentuk kursi dan perahu dan pengambaran ikatan hidrogen. Semua masalah ini dapat diselesaikan dengan pemodelan molekul. Hal ini menjadi penting karena konformasi akan mempengaruhi sifat dan energi molekul.

 

J.     Kajian sifat molekul

Misalnya untuk mengetahui distribusi elektron yang berkaitan dengan perilaku molekul.

K.    Membandingkan molekul

Kajian ini meliputi kemiripan senyawa dan sifatnya. Sifat dua senyawa yang berbeda penataan heteroatomnya dalam molekul, atau kemiripan volume senyawa dengan perbedaan sifat kimia.

 

L.     Kajian interaksi antar molekul

Apakah sifat sejumlah molekul yang sama berbeda dengan molekul tunggal. Apakah sifat molekul dipengaruhi oleh molekul yang ada di sekitarnya. Simulasi komputer sangat membantu dalam menentukan model interaksi antar molekul.

 

 

 

M.   Kajian mekanisme reaksi.

Hal ini menyangkut kajian molekul pada keadaan khusus, seperti keadaan transisi yang mungkin mempunyai sifat berbeda dari molekul dalam keadaan normal.

 

I.3   BAGAIMANA MELAKUKAN PENELITIAN DI BIDANG KIMIA KOMPUTASI ?

A.     Mengapa Kimia komputasi penting untuk pembelajaran kimia ?

Ada beberapa alasan yang dapat disampaikan yaitu :

1.  Model merupakan sesuatu yang kita ajarkan. Mahasiswa memerlukan belajar untuk “berfikir seperti molekul berpikir”. Untuk melakukan ini mereka memerlukan untuk dapat “melihat” apa yang molekul lihat dan “merasa” apa yang dirasakan molekul. Model memberikan kita gambaran yang paling baik dan secara langsung dari dunia molekul.

2.  Pemodelan merupakan alat terbaik untuk belajar tentang teori kimia. VSEPR, struktur Lewis, orbital molekul Huckel adalah cara yang baik untuk mengubah teori ke dalam prediksi kimia. Metode komputasi modern memberikan hasil pengujian yang jauh lebih baik dari prediksi teoritis.

3.  Model mudah untuk digunakan, tidak mahal dan aman. Pemodelan merupakan pendidikan yyang bersahabat dengan mahasiswa.

 

B. Apakah pemodelan molekul harus menggantikan kimia eksperimental ?

Tentu saja tidak. Tujuan akhir dari kimia tidak akan terubah dengan pemodelan molekul. Pada tingkat praktis kita ingin belajar bagaimana membuat sesuatu (sintesis) dan bagaimana menggambar sesuatu yang harus dibuat (analisis). Pada tataran intelektual, kita ingin mengetahui “aturan” yang menggambarkan perilaku kimia. Pendidikan kimia modern masih memerlukan pelatihan praktis dalam eksperimen, selain itu juga memerlukan pelatihan dalam pemodelan.

 

 

C. Penelitian di bidang Kimia Komputasi

Jika menggunakan kimia komputasi untuk menjawab suatu permasalahan kimia, hal yang tak terhindarkan adalah mempelajari bagaimana menggunakan perangkat lunak. Masalah yang tersembunyi dari aktivitas ini adalah kita memerlukan pengetahuan tentang seberapa baik jawaban yang akan kita dapat. Beberapa daftar pertanyaan yang dapat dibuat antara lain : Apa yang ingin kita diketahui dan Bagaimana keakuratan perhitungannya ? Jika kita tidak dapat menjawab pertanyaan tersebut, kita tidak akan mendapatkan proyek penelitian.

          Seberapa akurat akan dapat kita prediksi hasilnya ? Dalam kimia analitik, kita dapat mengerjakan sejumlah pengukuran yang identik kemudian dicari standar deviasi untuk mengukur keakuratannya. Dengan eksperimen kompu-tasi, melakukan perhitungan untuk hal yang sama dengan metode yang sama akan selalu memberikan hasil yang secara eksak sama. Cara yang dapat dilakukan untuk mengukur keakuratan hasil adalah memperkirakan kesalahan perhi-tungan dengan membandingkan sejumlah perhitungan serupa dengan data eksperimen, sehingga harus tersedia artikel dan kompilasi data yang berkaitan dengan penelitian. Jika data eksperimen tidak ada, kita harus mempunyai metode yang reasonable -berdasar pada asumsi sesuai dengan pengeta-huan kita- sebelum kita menerapkan pada masalah yang akan kita kaji dan melakukan analisa tentang ketelitian hasil yang akan kita peroleh. Jika seseorang hanya memberitahukan bahwa metodenya adalah metode yang paling baik, kemungkinannya adalah mereka mempunyai sejumlah informasi tersimpan yang banyak, atau mereka tidak tahu apa yang mereka bicarakan. Berhati-hati jika seseorang memberi tahu bahwa suatu program sangat baik hanya karena itu satu-satunya program yang mereka tahu bagaimana meng-gunakannya, bukan berdasar pada jawaban atas kualitas dari program tersebut dalam menghasilkan data.

          Seberapa lama kita harapkan perhitungan akan selesai ? Jika pengetahuan kita  sempurna, kita akan memberitahu kepada komputer pribadi untuk memberikan kita penye-lesaian eksak persamaan Schroedinger. Namun demikian sering perhitungan ab initio akan memerlukan waktu yang lama dan mungkin akan memerlukan satu dekade untuk perhitungan tunggal, walaupun kita mempunyai mesin dengan memori dan ruang simpan yang cukup. Sejumlah metode tersedia untuk setiap situasi yang kita dihadapi. Cara yang terbaik adalah memilih metode yang sesuai dengan masalah yang akan kita teliti. Dengan demikian langkah yang harus diambil adalah melihat di kepustakaan dan mempertim-bangkan berapa lama waktu yang diperlukan.

          Pendekatan apa yang harus dibuat ? Apakah pende-katan yang digunakan dalam perhitungan sudah signifikan dengan masalah yang dikaji ? Ini menyangkut bagaimana cara kita mengatasi permasalahan yang kita hadapi, jangan sampai kita menghasilkan perhitungan yang bersifat “sampah”. Sebagai contoh, untuk meneliti gerakan vibrasioal yang bersifat tak harmonik tidak mungkin diperoleh dari perhitungan dengan pendekatan osilator harmonik.

          Jika kita dapat jawaban akhir dari semua pertanyaan di atas, kita sekarang siap untuk melakukan perhitungan. Sekarang kita harus menentukan perangkat lunak yang ada, berapa harganya dan bagaimana cara menggunakannya. Perlu dicatat bahwa, dua program yang sejenis mungkin akan menghitung sifat yang berbeda, sehingga kita harus meyakinkan diri mengenai program apa yang diperlukan.

          Jika kita belajar bagaimana menggunakan sebuah program, kita mungkin akan  mengerjakan banyak perhi-tungan yang salah hanya karena kesalahan data masukan. Untuk itu jangan melakukan perhitungan dengan molekul proyek kita, lakukan percobaan penghitungan yang sangat mudah, misalnya dengan menggunakan molekul air. Dengan demikian kita tidak perlu membuang waktu yang banyak untuk berinteraksi dengan perangkat lunak yang akan kita gunakan.