BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Persoalan kehidupan yang dihadapi masyarakat modern sangat rentan akan timbulnya penyakit kronis. Kesibukan, polusi, kontaminasi, radiasi (matahari dengan lapisan ozon tipis), kelelahan, kekenyangan, kesenangan, kelaparan, stres, dan berbagai pen yakit yang ditimbulkannya, akan berakibat tubuh mengeluarkan oksigen radikal atau radikal bebas yang berlebihan. Radikal bebas bersama super oxide dismutase (SOD) menimbulkan banyak masalah kesehatan. Akhir-akhir ini perhatian dunia kedokteran terhadap oksidan juga makin meningkat. Perhatian ini terutama ditimbulkan oleh kesadaran bahwa oksidan dapat menimbulkan kerusakan sel, dan menjadi penyebab atau mendasari berbagai keadaan patologik seperti penyakit kardiovaskuler, penyakit respiratorik, gangguan sistem tanggap kebal, karsinogenesis, bahkan dicurigai ikut berperan dalam proses penuaan (aging ). ). Sebagian mekanisme kerusakan oleh oksidan telah diketahui, tetapi sebagian lagi karena rumitnya proses – proses – proses yang terkait, masih belum sepenuhnya jelas. Oksidan dapat mengganggu integritas sel karena dapat bereaksi dengan komponen-komponen sel yang penting untuk mempertahankan kehidupan sel, baik komponen struktural (misalnya molekul-molekul penyusun membran) maupun komponen-komponen fungsional (misalnya enzim-enzim dan DNA). Oksidan yang dapat merusak sel berasal dari berbagai sumber, yaitu : a. Berasal dari tubuh sendiri, yaitu senyawa-senyawa yang sebenarnya berasal dari proses-proses biologik normal (fisiologis), namun oleh suatu sebab terdapat dalam jumlah besar. b. Berasal dari proses-proses peradangan. c. Berasal dari luar tubuh, seperti misalnya obat-obatan dan senyawa pencemar (polutant ) d. Berasal dari efek radiasi
1
Maka dari itu diperlukanlah antioksidan berperan penting dalam tubuh manusia karena dapat menetralisasi radikal bebas dalam tubuh dengan cara memberikan satu elektronnya sehingga terbentuk molekul yang stabil dan mengakhiri reaksi radikal bebas.
1.2 Tujuan Untuk mengetahui pengaruh radikal bebas, oksidan dan anti oksidan terhadap pertahanan tubuh manusia. 1.3 Manfaat Dapat mengetahui pengaruh radikal bebas, oksidan dan anti oksidan terhadap pertahanan tubuh manusia.
2
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Radikal Bebas 2.1.1. Definisi Radikal Bebas
Radikal bebas adalah sekelompok bahan kimia baik berupa atom maupun molekul yang memiliki elektron tidak berpasangan pada lapisan luarnya. Merupakan juga suatu kelompok bahan kimia dengan reaksi jangka pendek yang memiliki satu atau lebih elektron bebas. (Droge W, 2002) Pada proses metabolisme normal, tubuh memproduksi partikel kecil dengan tenaga besar disebut sebagai radikal bebas. Atom atau molekul dengan elektron bebas ini dapat digunakan untuk menghasilkan tenaga dan beberapa fungsi fisiologis seperti kemampuan untuk membunuh virus dan bakteri. Namun oleh karena mempunyai tenaga yang sangat tinggi, zat ini juga dapat merusak jaringan normal apabila jumlahnya terlalu banyak. Radikal bebas dapat mengganggu produksi DNA, lapisan lipid pada dinding sel, mempengaruhi pembuluh darah, dan produksi prostaglandin (Droge W, 2002). Radikal bebas juga dijumpai pada lingkungan, beberapa logam misalnya besi dan tembaga, asap rokok, polusi udara, obat, bahan beracun, makanan dalam kemasan, bahan aditif, dan sinar ultraviolet dari matahari maupun radiasi.
2.1.2. Struktur Kimia
Atom terdiri dari nukleus, proton, dan elektron. Jumlah proton (bermuatan positif) dalam nukleus menentukan jumlah dari elektron (bermuatan negatif) yang mengelilingi atom tersebut. Elektron berperan dalam reaksi kimia dan merupakan bahan yang menggabungkan atom-atom untuk membentuk suatu molekul. Elektron mengelilingi, atau mengorbit suatu atom dalam satu atau lebih lapisan. Jika satu lapisan penuh, electron akan mengisi lapisan kedua. Lapisan kedua akan penuh jika telah memiliki 8 elektron, dan seterusnya. Gambaran struktur terpenting sebuah atom dalam menentukan sifat kimianya adalah jumlah elektron pada lapisan luarnya. Suatu bahan yang elektron lapisan luarnya penuh tidak akan terjadi reaksi kimia. Karena
3
atom-atom berusaha untuk mencapai keadaan stabilitas maksimum, sebuah atom akan selalu mencoba untukmelengkapi lapisan luarnya dengan: a. Menambah atau mengurangi elektron untuk mengisi maupun mengosongkan lapisan luarnya. b. Membagi elektron-elektronnya dengan cara bergabung bersama atom yang lain dalam rangka melegkapi lapisan luarnya. Atom sering kali melengkapi lapisan luarnya dengan cara membagi elektron-elektron bersama atom yang lain. Dengan membagi elektron, atom-atom tersebut bergabung bersama dan mencapai kondisi stabilitas maksimum untuk membentuk molekul. Oleh karena radikal bebas sangat reaktif, maka mempunyai spesifitas kimia yang rendah sehingga dapat bereaksi dengan berbagai molekul lain, seperti protein, lemak, karbohidrat, dan DNA. Dalam
rangka
mendapatkan
stabilitas
kimia,
radikal
bebas
tidak
dapat
mempertahankan bentuk asli dalam waktu lama dan segera berikatan dengan bahan sekitarnya. Radikal bebas akan menyerang molekul stabil yang terdekat dan mengambil elektron, zat yang terambil elektronnya akan menjadi radikal bebas juga sehingga akan memulai suatu reaksi berantai, yang akhirnya terjadi kerusakan sel tersebut.(Droge W, 2002)
Radikal bebas dapat terbentuk in-vivo dan in-vitro secara : 1. Pemecahan satu molekul normal secara homolitik menjadi dua. Proses ini jarang terjadi pada sistem biologi karena memerlukan tenaga yang tinggi dari sinar ultraviolet, panas, dan radiasi ion. 2. Kehilangan satu elektron dari molekul normal 3. Penambahan elektron pada molekul normal Pada radikal bebas elektron yang tidak berpasangan tidak mempengaruhi muatan elektrik dari molekulnya, dapat bermuatan positif, n egatif, atau netral.
4
2.1.3. Tipe Radikal Bebas dalam Tubuh
Radikal bebas terpenting dalam tubuh adalah radikal derivat dari oksigen yang disebut kelompok oksigen reaktif (reactive (reactive oxygen species/ROS), species/ROS), termasuk didalamnya adalah triplet (3O2), tunggal (singlet/1O2), anion superoksida (O2.-), radikal hidroksil (-OH), nitritoksida (NO-), peroksinitrit (ONOO-), asam hipoklorus (HOCl), hidrogen peroksida (H2O2), radikal alkoxyl (LO-), dan radikal peroksil (LO2). Radikal bebas yang mengandung karbon (CCL3-) yang berasal dari oksidasi radikal molekul organik. Radikal yang mengandung hidrogen hasil dari penyerangan atom H (H-). Bentuk lain adalah radikal yang mengandung sulfur yang diproduksi pada oksidasi4glutation menghasilkan radikal thiyl (R-S-). Radikal yang mengandung nitrogen juga ditemukan, misalnya radikal fenyldiazine.(Araujo V,1998)
O2·
Radikal Superoksida (Superoxide radical )/ )/
·OH
Radikal hidroksil ( Hydroxyl Hydroxyl radical )
ROO·
Radikal peroksil ( Peroxyl Peroxyl radical )
H2O2
Hydrogen peroksida ( Hydrogen Hydrogen peroxide) peroxide)
1O2
Oksigen tunggal (Singlet oxygen) oxygen)
NO·
Nitrit oksida ( Nitric Nitric oxide) oxide)
ONOO
Nitrit peroksida ( Peroxynitrite) Peroxynitrite)
HOCl
Asam hipoklor ( Hypochlorous Hypochlorous acid )
Tabel 1. Radikal bebas biologis (kelompok oksigen reaktif)
5
2.1.4. Sumber radikal bebas a. Sumber Endogen
1. Autoksidasi: Merupakan produk dari proses metabolisme aerobik. Molekul yang mengalami autoksidasi
berasal
dari
katekolamin,
hemoglobin,
mioglobin,
sitokrom
C
yangtereduksi, dan thiol. Autoksidasi dari molekul diatas menghasilkan reduksi dari oksigen di radikal dan pembentukan kelompok reaktif oksigen. Superoksida merupakan bentukan awal radikal. Ion ferrous (Fe II) juga dapat kehilangan elektronnya melalui oksigen untuk membuat superoksida dan Fe III melalui proses autoksidasi. (Proctor PH,1984)
2. Oksidasi enzimatik Beberapa jenis sistem enzim mampu menghasilkan radikal bebas dalam jumlah yang cukup bermakna, meliputi xanthine meliputi xanthine oxidase (activated in ischemiareperfusion), prostaglandin synthase, lipoxygenase, aldehyde oxidase, dan aminoacid oxidase. Enzim myeloperoxidase hasil aktifasi netrofil, memanfaatkan hidrogen peroksida untuk oksidasi ion klorida menjadi suatu oksidan yang kuatasam hipoklor.(Inoue M,2001)
3. Respiratory burst Merupakan terminologi yang digunakan untuk menggambarkan proses dimana selfagositik menggunakan oksigen dalam jumlah yang besar selama fagositosis.Lebih kurang 70-90 % penggunaan oksigen tersebut dapat diperhitungkan dalamproduksi superoksida. Fagositik sel tersebut memiliki sistem membran boundflavoprotein cytochrome-b-245 NADPH oxidase. Enzim membran sel sepertiNADPH-oxidase keluar dalam bentuk inaktif. Paparan terhadap bakteri yangdiselimuti imunoglobulin, kompleks imun, komplemen 5a, atau leukotrien dapatmengaktifkan enzim NADPHoxidase. Aktifasi tersebut mengawali respiratory (Abate C,1990) burst pada membran sel untuk memproduksi superoksida. Kemudian H2O2 dibentuk dari
6
superoksida dengan cara dismutasi bersama generasi berikutnya dari OH dan HOCl oleh bakteri.(Albina JE,1998)
b. Sumber Eksogen
1. Obat-obatan Beberapa macam obat dapat meningkatkan produksi radikal bebas dalam bentuk peningkatan tekanan oksigen. Bahan-bahan tersebut bereaksi bersama hiperoksia dapat mempercepat tingkat kerusakan. Termasuk didalamnya antibiotika kelompok quinoid atau berikatan logam untuk aktifitasnya (nitrofurantoin), obat kanker seperti bleomycin, anthracyclines (adriamycin), dan methotrexate, yang memiliki aktifitas pro-oksidan. Selain itu, radikal juga berasal dari fenilbutason, beberapa asam fenamat dan komponen aminosalisilat dari sulfasalasin dapat menginaktifasi protease, dan penggunaan asam askorbat dalam jumlah banyak mempercepat peroksidasi lemak.(Inoue M,2001)
2. Radiasi Radioterapi memungkinkan terjadinya kerusakan jaringan yang disebabkan oleh radikal bebas. Radiasi elektromagnetik (sinar X, sinar gamma) dan radiasi partikel (partikel elektron, photon, neutron, alfa, dan beta) menghasilkan radikal primer dengan cara memindahkan energinya pada komponen seluler seperti air. Radikal primer tersebut dapat mengalami reaksi sekunder bersama oksigen yang teruraiatau bersama cairan seluler. (Droge W, 2002)
3. Asap rokok Oksidan dalam rokok mempunyai jumlah yang cukup untuk memainkan peranan yang besar terjadinya kerusakan saluran napas. Telah diketahui bahwa oksidan asap tembakau menghabiskan antioksidan intraseluler dalam sel paru (in vivo)
melalui
mekanisme
yang
dikaitkan
terhadap
tekanan
oksidan.
Diperkirakanbahwa tiap hisapan rokok mempunyai bahan oksidan dalam jumlah yang sangatbesar, meliputi aldehida, epoxida, peroxida, dan radikal bebas lain yang
7
mungkin cukup berumur panjang dan bertahan hingga menyebabkan kerusakan alveoli. Bahan lain seperti nitrit oksida, radikal peroksil, dan radikal yang mengandungkarbon ada dalam fase gas. Juga mengandung radikal lain yang relatif stabildalam fase tar. Contoh radikal dalam fase tar meliputi semiquinone moieties dihasilkan dari bermacam-macam quinone dan hydroquinone. hydroquinone. Perdarahan kecil berulang merupakan penyebab yang sangat mungkin dari desposisi besi dalam jaringan paru perokok. p erokok. Besi dalam bentuk tersebut meyebabkan pembentukan radikal hidroksil yang mematikan dari hidrogen peroksida juga ditemukan bahwa perokok mengalami peningkatan netrofil dalam saluran napas bawah yang mempunyai kontribusi pada peningkatan lebih lanjut konsentrasi radikal bebas. (Droge W, 2002)
2.1.5. Pembentukan Radikal Bebas dalam Sel
Radikal bebas diproduksi dalam sel yang secara umum melalui reaksi pemindahan elektron, menggunakan mediator enzimatik atau non-enzimatik. Produksi radikal bebas dalam sel dapat terjadi secara rutin maupun sebagai reaksi terhadap rangsangan. Secara rutin adalah superoksida yang dihasilkan melalui aktifasi fagosit dan reaksi katalis seperti ribonukleotida reduktase. Sedang pembentukan melalui rangsangan adalah kebocoran superoksida, hidrogen peroksida dan kelompok oksigen reaktif (ROS) lainnya pada saat bertemunya bakteri dengan fagosit teraktifasi. Pada keadaan normal sumber utama radikal bebas adalah kebocoran elektron yang terjadi dari rantai transport elektron, misalnya yang ada dalam mitokondria dan endoplasma retikulum dan molekul oksigen yang menghasilkan superoksida. Dalam kondisi yang tidak lazim seperti radiasi ion, sinar ultraviolet, dan paparan energy tinggi lainnya, dihasilkan radikal bebas yang sangat berlebihan. (Droge W, 2002)
8
Gambar 1. Sistem oksigen aktif
2.1.6. Reaksi Perusakan oleh Radikal Bebas
Definisi tekanan oksidatif (oxidative (oxidative stress) stress) adalah suatu keadaan dimana tingkat oksigen reaktif intermediate (ROI) yang toksik melebihi pertahanan antioksidan endogen. Keadaan ini mengakibatkan kelebihan radikal bebas, yang akan bereaksi dengan lemak, protein, asam nukleat seluler, sehingga terjadi kerusakan lokal dan disfungsi organ tertentu. Lemak merupakan biomolekul yang rentan terhadap serangan radikal bebas.
a. Peroksidasi lemak
Membran sel kaya akan sumber poly unsaturated fatty acid (PUFA), yang mudah dirusak oleh bahan-bahan pengoksidasi; proses tersebut dinamakan peroksidasi lemak. Hal ini sangat merusak karena merupakan suatu proses berkelanjutan. Pemecahan hidroperoksida lemak sering melibatkan katalisis ion logam transisi.(Proctor PH,1984)
b. Kerusakan protein
Protein dan asam nukleat lebih tahan terhadap radikal bebas daripada PUFA, sehingga kecil kemungkinan dalam terjadinya reaksi berantai yang cepat.Serangan
9
radikal bebas terhadap protein sangat jarang kecuali bila sangatekstensif. Hal ini terjadi hanya jika radikal tersebut mampu berakumulasi (jarang pada sel normal), atau bila kerusakannya terfokus pada daerah tertentu dalam protein. Salah satu penyebab kerusakan terfokus adalah jika protein berikatandengan ion logam transisi.(Proctor PH,1984)
c. Kerusakan DNA
Seperti pada protein kecil kemungkinan terjadinya kerusakan di DNA menjadi suatu reaksi berantai, biasanya kerusakan terjadi bila ada lesi pada susunan molekul, apabila tidak dapat diatasi, dan terjadi sebelum replikasi maka akan terjadi mutasi. Radikal oksigen dapat menyerang DNA jika terbentuk disekitar DNA seperti pada radiasi biologis. (Allen RG,2000)
2.1.7. Pertahanan sel terhadap radikal bebas
Sifat reaktif yang tersebar dari sistem pembentukan radikal dalam sel menyebabkan evolusi mekanisme pertahanan terhadap efek perusakan suatu bahan teroksidasi kuat. Gambar dibawah ini menunjukkan aktifitas enzim intraseluler tersebut. SOD (superoksida dismutase dan katalase) mengkatalisasi dismutasi dari superoksida danhidrogen peroksida. GSH (glutation) peroksidase mereduksi peroksida hidrogen danorganik menjadi air dan alkohol. GSH S-transferase melakukan pemindahan residu glutation menjadi metabolit elektrofilik reaktif dari xenobiotic. xenobiotic. Produksi glutation teroksidasi (GSSG) direduksi secara cepat oleh reaksi yang menggunakan NADPH yang dihasilkan dari berbagai sistem intraseluler, diantaranya hexose-monophosphate shunt . Berbagai isoenzim organel spesifik dari dismutase superoksida juga ditemukan. SOD Zn, Cu merupakan sitoplasmik, sedangkan enzim Zn,Mn mitokondrial. Isoenzim ini tidak ditemukan dalam cairan ekstraseluler.
10
Gambar 2. Enzim-enzim pertahanan antioksidan
Beberapa bahan tereduksi (tabel 2) juga bekerja sebagai antioksidan, reduksi kelompok radikal aktif seperti radikal peroksi dan hidroksi menjadi bentuk yang kurang
reaktif misalnya air. Seperti halnya pembangkitan kembali oksigen singlet. Penggabungan tersebut juga mengakhiri reaksi radikal berantai. Pertahanan antioksidan kimiawi bagai pedang bermata dua. Pertama, saat bahan tereduksi menjadi radikal maka derivat radikalnya juga terbentuk. Sehingga, jika suatu radikal sangat tidak stabil, reaksi radikal berantai mungkin akan berlanjut. Kedua, bahan tereduksi dapat mereduksi oksigen menjadi superoksida atau peroksida merupakan radikal hidroksil dalam reaksi auto-oksidasi. Ascorbat dan asam urat dapat berfungsi sebagai anti oksidan, ikut serta secara langsung dalam auto-oksidasi, baik melalui reduksi aktifator oksigen lain seperti rangkaian logam transisi atau quinone, atau bertindak sebagai kofaktor enzim. Proses tersebut dapat melibatkan kemampuan askorbat untuk depolimerisasi DNA, 1 hambatan Na+/K+ ATPase otak, potensiasi toksisitas paraquat, dan sebagai mediatorperoksidasi lemak juga mempunyais kontribusi kelainan patofisiologi dari metabolisme purin. Sifat yang sesungguhnya campuran pro atau antioksidan untuk bahan pereduksi khusus adalah integrasi kompleks dari beberapa faktor. Pada kasus zat pembersih radikal hidroksil, produk dari interaksi radikal dengan antioksidan umumnya kurang reaktif dibanding radikal hidroksil. Radikal yang terbentuk tersebut
11
cukup stabil dan dalam konsentrasi cukup tinggi namun dapat terjadi mekanisme seperti pada glutation dan superoksida. pH sangat mempengaruhi reduksi langsung oksigen menjadi superoksida oleh senyawa sulfidril, sedangkan faktor lokal lainnya seperti konsentrasi molar dari molekul oksigen juga punya peranan penting. Oksigen singlet dan bagian triplet molekul yang tereksitasi mungkin disempurnakan melalui interaksi bersama sistem konjugasi sistem diene seperti yang ditemukan pada karoten, tokoferol, atau melanin. Seperti antioksidan pereduksi, senyawa tersebut dapat juga menghasilkan jenis elektron aktif dan mungkin juga penyakit. (Inoue M,2001)
Tabel 2. Antioksidan dan enzim pembersih (scavenging)
12
2.2 OKSIDAN 2.2.1 Definisi
A. SIFAT FISIK DAN KIMIA Oksidan, dalam pengertian ilmu kimia, adalah senyawa penerima elektron, (electron acceptor ), ), yaitu senyawa-senyawa yang dapat menarik elektron. Ion ferri +++
(Fe
+++
Fe
), misalnya, adalah suatu oksidan : -
+ e
++
Fe
3
Oksidan (O ) merupakan senyawa di udara selain oksigen yang memiliki sifat sebagai pengoksidasi. Oksidan adalah komponen atmosfir yang diproduksi oleh proses fotokimia, yaitu suatu proses kimia yang membutuhkan sinar matahari mengoksidasi komponen-komponen yang tak segera dioksidasi oleh oksigen. Senyawa yang terbentuk merupakan bahan pencemar sekunder yang diproduksi karena interaksi antara bahan pencemar primer dengan sinar. Hidrokarbon merupakan komponen yang berperan dalam produksi oksidan fotokimia. Reaksi ini juga melibatkan siklus fotolitik NO2. Polutan sekunder yang dihasilkan dari reaksi hidrokarbon dalam siklus ini adalah ozon dan peroksiasetilnitrat. Ozon merupakan salah satu zat pengoksidasi yang sangat kuat setelah fluor, oksigen dan oksigen fluorida (OF2). Meskipun di alam terdapat dalam jumlah kecil tetapi lapisan lain dengan bahan pencemar udara Ozon sangat berguna untuk melindungi bumi dari radiasi ultraviolet (UV-B). Ozon terbentuk diudara pada ketinggian 30 km dimana radiasi UV matahari dengan panjang gelombang 242 nm secara perlahan memecah molekul oksigen (O2) menjadi atom oksigen tergantung dari jumlah molekul O2 atom-atom oksigen secara cepat membentuk ozon. Ozon menyerap radiasi sinar matahari dengan kuat didaerah panjang gelombang 240-320 nm. Absorpsi radiasi elektromagnetik oleh ozon didaerah ultraviolet dan inframerah digunakan dalam metode-metode analitik.
13
2.2.2 Oksidan Lain
Hidrogen peroksida telah diidentifikasi sebagai oksidan fotokimia yang potensial. Akan tetapi hidrogen peroksida ini merupakan senyawa yang sangat sulit dideteksi secara spesifik di udara. Oleh arena itu tidak mungkin memperkirakan dengan pasti bahwa hidrogen peroksida sebagai pencemar fotokimia udara.
2.3.3 Mekanisme Kerja Pembentukan Senyawa Oksigen Reaktif
Senyawa oksigen reaktif yang berperan sebagai oksidan adalah : hidrogen peroksida, (H2O2),
ion superoksida (O2 ), radikal peroksil (
OOH), radikal
hidroksil (OH) dan singlet oksigen. Hidrogen peroksida terutama terbentuk karena aktifitas enzim-enzim oksidase yang terdapat dalam retikulum endoplasmik (mikrosom) dan peroksisom. Enzimenzim tersebut mengkatalisis reaksi : RH2 + O2
R + H2O2
H2O2 merupakan merupakan oksidan yang yang kuat dan dapat mengoksidasi berbagai senyawa yang terdapat di dalam sel, misalnya :glutation : 2 GSH + H2O2
GSSG + 2H2O
Daya rusak H2O2 bukan hanya karena senyawa tersebut merupakan oksidan yang kuat, tetapi juga karena H2O2 dapat menghasilkan radikal hidroksil bila H2O2 bereaksi ++
+
dengan logam transisi (transitional (transitional metals ), metals ), Fe dan Cu
++
+
Fe (Cu ) + H2O2
+++
Fe
++
(Cu ) + OH
+
OH
(reaksi Fenton)
H2O2 juga dapat menghasilkan oksidan kuat yang lain, yaitu ion hipoklorit (ClO ) melalui reaksi yang yang dikatalisis oleh enzim mieloperoksidase yang terdapat dalam selsel radang. Seperti granulosit, monosit dan makrofag :
H2O2 + Cl
H2O + ClO
14
Ion hipoklorit dapat mengoksidasi berbagai senyawa : R + ClO
RO + Cl
Ion Superoksida
Terbentuk melalui beberapa cara, antara lain : ++
1. Sebagai reaksi sampingan yang melibatkan Fe seperti misalnya :
Proses fosforilasi
Proses oksigenasi Hemoglobin
Proses hidroksilasi oleh enzim mono oksigenase (sitokrom P450 dan sitokrom b4)
Ion Fe bebas
Reaksi tersebut dapat ditulis sebagai berikut : ++
Fe
+ O2
+++
Fe
+ O
2
2. Reaksi yang dikatalisis oleh NADH/NADPH oksidase yang terdapat dalam mitokondria dan granulosit :
NADH(NADPH) + O2
+
+
+
NAD (NADP ) + H + O2
3. Reaksi yang yang dikatalisis dikatalisis oleh enzim xantin oksidase, mirip dengan reaksi nomor 2: XH + H2O + 2 O2
Xantin
XOH + 2 O2
+
+ 2H
asam urat
Enzim xantin oksidase (XO) dalam keadaan normal tak terdapat dalam sel mamalia.Enzim ini terbentuk dari enzim lain yaitu xantin dehidrogenase (XD) yang mengkatalisis reaksi sebagai berikut : +
XH + NAD Xantin
+ H2O
XOH + NADH + H
+
:
asam urat
15
Dalam keadaan iskemia atau hipoksemia, XD berubah menjadi XO melalui proses proteolisis : XD
XO + peptida
Perubahan ini tak reversibel. Sebagai akibatnya, apabila kemudian pasokan oksigen kembali normal, terbentuklah ion superoksida yang justru dapat merusak jaringan ( 3
jejas reperfusi, reperfusion injury) injury)
Ion superoksida sendiri sebenarnya tak terlalu reaktif. Bentuk reaktifn ya ialah radikal b erikut : peroksida yang terbentuk melalui reaksi sebagai berikut
O2
+
H
OOH
Radikal peroksil Seperti halnya radikal lain, radikal inipun sangat reaktif dan akan membentuk radikal baru serta H2O2 :
XH +
OOH
X + H2O2
Dari reaksi reaksi diatas kiranya jelas jelas bahwa radikal peroksil
jauh lebih berbahaya
dibandingkan dengan H2O2 . Ion superoksida superoksida akan sangat berbahaya apabila terdapat bersamaan bersamaan dengan H2O2 karena akan membentuk radikal hidroksil (OH) :
O2
+ H2O2
O2 + OH
+
OH
(Reaksi Haber – Haber – Weiss) Weiss) +++
Reaksi ini memerlukan ion Fe
++
atau Cu
dan diperkirakan terjadi melalui dua
tahap, yaitu : +++
Fe
/ Cu
++
+ O2
++
Fe / Cu
+
+ O2
16
++
Fe / Cu
+
+
H2O2
+++
Fe
++
/ Cu
+ OH
+
OH
Diantara senyawa-senyawa oksigen reaktif, radikal hidroksil adalah yang paling reaktif, oleh karena itu paling berbahaya.. Namun radikal hidroksil bukan merupakan
produk primer proses biologik, tetapi berasal dari H2O2 dan O2 2.2.4 Dampak Negatif Terhadap Tubuh Manusia a. Dampak Terhadap Kesehatan
Oksidan fotokimia masuk kedalam tubuh dan pada kadar subletal dapat mengganggu proses pernafasan normal, selain itu oksidan fotokimia juga dapat menyebabkan iritasi mata. Beberapa gejala yang dapat diamati pada manusia yang diberi perlakuan kontak dengan ozon, sampai dengan kadar 0,2 ppm tidak ditemukan pengaruh apapun, pada kadar 0,3 ppm mulai terjadi iritasi pada hidung dan tenggorokan. Kontak dengan Ozon pada kadar 1,0 – 3,0 3,0 ppm selama 2 jam pada orang orang yang sensitif dapat mengakibatkan pusing berat dan kehilangan koordinasi. Pada kebanyakan orang, kontak dengan ozon dengan kadar 9,0 ppm selama beberapa waktu akan mengakibatkan edema pulmonari. Pada kadar di udara ambien yang normal, peroksiasetilnitrat (PAN) dan Peroksiabenzoilnitrat (PbzN) mungkin menyebabkan iritasi mata tetapi tidak berbahaya bagi kesehatan. Peroksibenzoilnitrat (PbzN) lebih cepat menyebabkan iritasi mata. Oksidan dapat mengganggu integritas sel karena dapat bereaksi dengan komponen-komponen sel yang penting untuk mempertahankan kehidupan sel, baik komponen struktural (misalnya molekul-molekul penyusun membran) maupun komponen-komponen fungsional (misalnya enzim-enzim dan DNA). Oksidan yang dapat merusak sel berasal dari berbagai sumber, yaitu : a. yang berasal dari dari tubuh sendiri, yaitu senyawa-senyawa yang yang sebenarnya berasal dari proses-proses biologik normal (fisiologis), namun oleh suatu sebab terdapat dalam jumlah besar
17
b. yang berasal dari proses-proses peradangan. c. yang berasal dari luar tubuh, seperti misalnya misalnya obat-obatan dan senyawa pencemar (polutant ) d. yang berasal dari akibat radiasi b. Dampak Negatif Senyawa-senyawa Oksigen Reaktif
Senyawa-senyawa oksigen reaktif semuanya merupakan oksidan yang kuat, walaupun derajad kekuatannya berbeda-beda. Dampak negatif tersebut timbul karena reaktifitasnya sehingga dapat merusak komponen-komponen sel yang penting untuk mempertahankan integritas dan kehidupan sel. Sebagaimana telah dijelaskan pada bab pendahuluan, aktifitas oksidan dapat menjadi penyebab atau mendasari berbagai b erbagai keadaan patologis. Dampak aktifitas oksidan dapat sangat luas, dan sering mekanisma molekulernya masih belum terkuak secara jelas. Diantara senyawa-senyawa oksigen reaktif, radikal hidroksil
merupakan
senyawa yang paling berbahaya karena reaktifitasnya sangat tinggi. Oleh karena itu, sebagai contoh akan kita bahas dampak negatif radikal hidroksil. Radikal hidroksil dapat merusak tiga jenis senyawa yang penting untuk mempertahankan integritas sel, yaitu : 1.
Asam lemak, khususnya asam lemak tak jenuhyang merupakan komponen penting fosfolipid penyusun membran sel.
2.
DNA, yang merupakan perangkat genetik sel.
3.
Protein yang memegang berbagai peran penting seperti enzim, reseptor, antibodi dan pembentuk matriks serta sitoskeleton.
18
c. Dampak Negatif Terhadap Membran Sel
Komponen terpenting membran sel adalah fosfolipid, glikolipid dan kolesterol. Dua komponen pertama mengandung asam lemak tak jenuh. Justru asam lemak tak jenuh ini (asam-asam linoleat, linolenat dan arakidonat) sangat rawan terhadap seranganserangan radikal, terutama radikal hidroksil. Radikal hidroksil dapat menimbulkan reaksi rantai yang dikenal dengan nama peroksidasi lipid
LH
+
OH
Asam lemak.
L
+
L
+
H2O
Radikal lipid
O2
LOO
Radikal peroksilipid
LOO
+
RH
L
+
LOOH
dan seterusnya.
Akibat akhir dari rantai reaksi ini adalah terputusnya rantai asam lemak menjadi berbagai senyawa yang bersifat toksis terhadap sel, antara lain berbagai macam aldehida, seperti malondialdehida, 9-hidroksi-nonenal serta bermacam-macam hidrokarbon seperti etana (C2H6) dan pentana (C5H12). Dapat pula terjadi ikatan silang silang (cross-linking ) antara dua rantai asam lemak atau antara asam lemak dan rantai peptida (protein) yang timbul karena reaksi dua radikal : R 1 + R 2
R 1R 2
Semuanya itu menyebabkan kerusakan kerusakan parah membran sel sehingga membahayakan kehidupan sel
19
d. Dampak Negatif Terhadap DNA
Radikal bebas
dapat menimbulkan berbagai perubahan perubahan pada DNA yang
antara lain .berupa : hidroksilasi basa timin dan sitosin, pembukaan inti purin dan pirimidin serta terputusnya rantai fosfodiester fosfodiester DNA Bila kerusakan tak terlalu parah, maka masih bisa diperbaiki oleh sistem sistem perbaikan DNA ( DNA DNA repair rep air system ). system ). Namun apabila kerusakan terlalu parah, misalnya rantai DNA terputus-putus diberbagai tempat, maka kerusakan tersebut tak dapat diperbaiki dan replikasi sel akan terganggu.. Susahnya, perbaikan DNA ini sering justru menimbulkan mutasi, karena dalam memperbaiki DNA tersebut sistem perbaikan DNA cenderung membuat kesalahan (error (error prone ), prone ), dan apabila mutasi ini mengenai gen-gen tertentu yang disebut onkogen, maka mutasi tersebut dapat menimbulkan kanker. e. Dampak Negatif Terhadap Protein
Oksidan dapat merusak protein karena dapat mengadakan reaksi dengan asam-asam amino yang menyusun protein tersebut. Diantara asm-asam amino penyusun protein yang paling rawan adalah sistein. sistein. Sistein mengandung gugusan sulfidril sulfidril (SH) dan justru gugusan inilah yang paling peka terhadap serangan radikal bebas seperti radikal hidroksil : RSH
+
RS
+
OH
RS
RS + H2O R SSR
Pembentukan ikatan disulfida (-S-S-) menimbulkan ikatan intra atau antar molekul protein tersebut kehilangan fungsi biologisnya (misalnya enzim kehilangan aktivitasnya).
20
2.3.5 Dampak Positif Terhadap Tubuh Manusia
Oksidan menimbulkan banyak kerugian,
tetapi justru dampak negatif ini
dimanfaatkan oleh tubuh untuk melawan serbuan organisma patogen. Untuk menghadapi “serangan dari luar ini”, ini”, alam (atau Sang Pencipta)
telah
menyediakan sel-sel khusus yang disebut sel-sel sel-sel radang (inflamatory cells ) cells ) seperti granulosit, monosit dan makrofag, yang dapat menghasilkan oksidan seperti H2O2,
O2 ,
OH, ClO dan O2
Reaksi-reaksi yang menghasilkan senyawa-senyawa tersebut telah dibicarakan dalam bab0bab sebelumnya.. Namun harap diingat bahwa oksidan-oksidan tersebut selain dapat menghancurkan mikroorganisma dapat pula merusak sel-sel jaringan tubuh sehingga sehingga apabila terjadi keradangan hebat yang melibatkan banyak sel radang, kerusakan jaringan tak dapat dihindarkan. 2.3. Antioksidan 2.3.1. Definisi
Antioksidan adalah zat yang dapat melawan pengaruh bahaya dari radikal bebas yang terbentuk sebagai hasil metabolisme oksidatif, yaitu hasil dari reaksireaksi kimia dan proses metabolik yang terjadi di dalam tubuh. Berbagai bukti ilmiah menunjukkan bahwa senyawa antioksidan mengurangi risiko terhadap penyakit kronis, seperti kanker dan penyakit jantung koroner (Rahmatussolihat, 2009) Antioksidan adalah substansi yang diperlukan tubuh untuk menetralisir radikal bebas dan mencegah kerusakan yang ditimbulkan oleh radikal bebas terhadap sel normal, protein, dan lemak. Antioksidan menstabilkan radikal bebas dengan melengkapi kekurangan elektron yang dimiliki radikal bebas dan menghambat terjadinya reaksi berantai dari pembentukan radikal bebas yang dapat menimbulkan stress oksidatif.(siti N,2009)
21
Antioksidan adalah semua zat yang apabila berada dalam kepekatan yang lebih rendah dibandingkan dengan suatu substrat yang telah dioksidasi, secara signifikan akan menunda atau menghalangi pengoksidaan substrat tersebut.6 Antioksidan merupakan salah satu senyawa yang dapat menghalangi proses oksidasi pada
molekul
yang
berasal
dari
dalam
tubuh
ataupun
dari
asupan
makanan.(Dlamini,2007 2.3.2. Penggolongan Antioksidan
Antioksidan dapat digolongkan menjadi antioksidan enzim dan vitamin. Antioksidan enzim meliputi superoksida dismutase (SOD), katalase dan glutation peroksidase (GSH.Prx). Antioksidan vitamin lebih populer sebagai antioksidan dibandingkan enzim. Antioksidan vitamin mencakup alfa tokoferol (vitamin E), beta karoten (pro vitamin A) dan asam askorbat (vitamin C). (Rahmatussolihat, 2009) Superoksida dismutase berperan dalam melawan radikal bebas pada mitokondria, sitoplasma dan bakteri aerob dengan mengurangi bentuk radikal bebas superoksida. SOD murni berupa peptida orgoteina yang disebut agen anti peradangan. Kerja SOD akan semakin aktif dengan adanya poliferon yang diperoleh dari konsumsi teh. Enzim yang mengubah hidrogen peroksida menjadi air dan oksigen adalah katalase. Fungsinya menetralkan hidrogen peroksida beracun dan mencegah formasi gelembung CO2 dalam darah. (Rahmatussolihat, 2009) Antioksidan glutation peroksidase bekerja dengan cara menggerakkan H2 O2 dan lipid peroksida dibantu dengan ion logam-logam transisi. GSH.Prx mengandung Selenium (Se). Sumber Se ada pada ikan, telur, ayam, bawang putih, biji gandum, jagung, padi, dan sayuran yang tumbuh di tanah yang kaya akan Se. Namun, dosis Se yang terlalu tinggi juga dapat bersifat racun. (Rahmatussolihat, 2009)
22
Klasifikan antioksidan berdasarkan peranan, cara kerja, kelarutan dan lokasi ditunjukkan di dalam tabel 1. ANTIOKSIDAN
CARA KERJA
KELARUTAN
LOKASI
Asam askorbat
Memutuskan ikatan
Larut dalam air
Plasma,Gingival
(Vitamin C)
ROS
crevicular
Mencegah(berikatan
fluid(GSF),
dengan ion logam)
Cerebrosal fluid
Memproduksi
(GSF)
Vitamin E
Alfa tokoferol
Memutuskan
Larut dalam
(VitaminE)
ikatan ROS
lemak
Plasma,GCF,saliva
Carotenoids
Memutuskan ikatan
Larut dalam
Plasma
(vitamin A)
ROS
lemak
Albumin
Memutuskan ikatan
Larut dalam air
Plasma,GCF,saliva
Memutuskan ikatan
Larut dalam
Plasma
ROS
lemak
ROS Berikatan dengan bilirubin Mencegah(berikatan dengan ion logam) Bilirubin
Melindungi albumin Caeruloplasmin
Mencegah(berikatan Larut dalam dengan ion logam)
Haptoglobin
Plasma,GCF,saliva
air
Mencegah(berikatan Larut dalam air
Plasma,GCF
dengan ion logam) Transferin
Mencegah
Larut dalam
(berikatan
air
Plasma,GCF,saliva
23
dengan ion Fe2+) Uric acid
Memutuskan ikatan
Larut dalam air
Plasma,GCF,saliva
Larut dalam air
Plasma,GCF,saliva,
ROS Reduce glutathione
Memutuskan ikatan ROS,
lapisan aleolar pada
Substrat untuk
paru
enzim GSH-Px
2.3.3. Fungsi Antioksidan
Antioksidan
berperan
penting
dalam
tubuh
manusia
karena
dapat
menetralisasi radikal bebas dalam tubuh dengan cara memberikan satu elektronnya sehingga terbentuk molekul yang stabil dan mengakhiri reaksi radikal bebas. Antioksidan tidak hanya penting untuk menghalangi terjadinya tekanan oksidatif dan kerusakan jaringan, tetapi juga penting dalam mencegah peningkatan produksi proinflamatori sitokin, yang merupakan hasil pengaktifan dari respon pertahanan tubuh yang terjadi terus menerus. Beberapa kegunaan antioksidan adalah seperti berikut: (Dlamini,2007) (1) Memutuskan rantai radikal bebas seperti yang dilakukan oleh vitamin E (alfa tokoferol), vitamin C (asam askorbat), vitamin A (beta karoten), uric acid dan bilirubin (2) Mencegah reaksi Fenton yang dilakukan oleh protein alami misalnya albumin, transferrin, laktoferrin, caeruloplasmin, haptoglobin dan asam askorbat (3) Melalui enzim yang bersifat antioksidan yaitu enzim yang berfungsi dengan mengkatalis proses oksidasi molekul yang dilakukan oleh catalase dan glutathione peroxidase (4) Mencegah terbentuknya radikal bebas
24
(5) Mengubah radikal bebas yang sangat reaktif menjadi kurang reaktif (6) Memperbaiki jaringan atau sel yang telah dirusak oleh radikal bebas dan (7) Menyediakan lingkungan yang baik sehingga mendorong antioksidan bekerja dengan optimal. 2.3.4. Mekanisme Kerja
Antioksidan memiliki dua fungsi. Fungsi pertama merupakan fungsi utama yaitu sebagai pemberi atom hidrogen. Antioksidan (AH) yang mempunyai fungsi utama tersebut sering disebut sebagai antioksidan primer. Senyawa ini dapat memberikan atom hidrogen secara cepat ke radikal lipid (R•, ROO•) atau mengubahnya ke bentuk lebih stabil, sementara turunan radikal antioksidan (A•) tersebut memiliki keadaan lebih stabil dibanding radikal lipid.(siti,2009) Fungsi kedua merupakan fungsi sekunder antioksidan, yaitu memperlambat laju autooksidasi dengan berbagai mekanisme di luar mekanisme pemutusan rantai autooksidasi dengan pengubahan radikal lipid ke bentuk lebih stabil.23 Penambahan antioksidan (AH) primer dengan konsentrasi rendah pada lipid dapat menghambat atau mencegah reaksi autooksidasi lemak dan minyak. Penambahan tersebut dapat menghalangi reaksi oksidasi pada tahap inisiasi maupun propagasi. Radikal-radikal antioksidan (A•) yang terbentuk pada pada reaksi tersebut relatif stabil dan tidak mempunyai cukup energi untuk dapat bereaksi dengan molekul lipid lain membentuk radikal lipid baru.(siti,2009) Inisiasi : R• + AH RH + A• (Radikal lipid) (antioksidan primer) (radikal antioksidan) Propagasi : R OO• OO• + AH ROOH + A•
25
Reaksi Penghambatan antioksidan primer terhadap radikal lipid23 Besar konsentrasi antioksidan yang ditambahkan dapat berpengaruh pada laju oksidasi. Pada konsentrasi tinggi, aktivitas antioksidan grup fenolik sering lenyap bahkan antioksidan tersebut menjadi prooksidan. Pengaruh jumlah konsentrasi pada laju oksidasi tergantung pada struktur antioksidan, kondisi dan sampel yang akan diuji.(siti,2009) AH + O2 A• + HOO• AH + ROOH RO• + H2O + A• Antioksidan bertindak sebagai prooksidan pada konsentrasi tinggi(siti,2009) 2.3.5. Antioksidan sebagai Pertahanan terhadap Radikal Bebas
Radikal bebas di dalam tubuh hampir mustahil untuk dihindari karena banyaknya pengaruh proses oksidasi yang terjadi dalam tubuh.Untuk tubu h.Untuk menanggulangi me nanggulangi radikal bebas tersebut tubuh memiliki sistem pertahanan melalui antioksidan enzimatik seperti katalase, glutation peroksidase, superoksidase dismutase (SOD), dan glukosa-6-phosphate-dehidrogenase (G6PD). Tetapi, pengaruh lingkungan dan kebiasaan buruk seperti radiasi ultraviolet, ultraviolet, polusi, kebiasaan mengkonsumsi “junk food” dan alkohol serta merokok dapat membuat sistem pertahanan tubuh kewalahan menghadapi radikal bebas yang berjumlah besar. Oleh karena itu tubuh kita memerlukan zat antioksidan tambahan. Vitamin C, vitamin E, co-enzim Q10, flavonoid dan asam alfa lipolat merupakan antioksidan tambahan yang bisa kita dapat dari luar tubuh yang juga merupakan antioksidan non-enzimatik. Antioksidan dalam jumlah banyak dapat diperoleh dari konsumsi sayuran, buah-buahan, kacangkacangan, biji-bijian, rempah-rempah dan teh atau teh hijau. Antioksidan merupakan senyawa pemberi elektron atau reduktan. Senyawa ini memiliki berat molekul kecil tetapi mampu menginaktivasi reaksi oksidasi dengan cara mencegah terbentuknya radikal. Antioksidan juga dapat mengikat radikal bebas dan molekul yang sangat reaktif sehingga kerusakan sel terhambat. Antioksidan
26
memiliki dua fungsi. Fungsi pertama adalah sebagai pemberi atom hidrogen. Antioksidan yang mempunyai fungsi utama tersebut sering disebut antioksidan primer. Senyawa Sen yawa ini dapat memberikan atom hidrogen secara cepat ke radikal lipida (R*, ROO*) atau mengubahnya ke bentuk lebih stabil, sementara turunan radikal antioksidan (A*) tersebut memiliki keadaan lebih stabil dibanding radikal lipida
. Fungsi kedua adalah antioksidan sekunder yang berfungsi memperlambat laju autooksidasi dengan berbagai mekanisme diluar mekanisme pemutusan rantai autooksidasi, dengan mengubah radikal lipida ke bentuk lebih stabil.
27
BAB 3 KESIMPULAN
Radikal bebas adalah sekelompok bahan kimia berupa atom maupun molekul yang memiliki elektron tidak berpasangan pada lapisan luarnya dan bahan kimia dengan reaksi jangka pendek yang memiliki satu atau lebih elektron bebas. Radikal bebas dapat mengganggu produksi DNA, lapisan lipid pada dinding sel, mempengaruhi pembuluh darah, dan produksi prostaglandin (Droge W, 2002). Radikal bebas akan menyerang molekul stabil yang terdekat dan mengambil elektron, zat yang terambil elektronnya akan menjadi radikal bebas juga sehingga akan memulai suatu reaksi berantai, yang akhirnya terjadi kerusakan sel tersebut. Oksidan merupakan senyawa di udara selain oksigen yang memiliki sifat sebagai pengoksidasi. Oksidan adalah komponen atmosfir yang diproduksi oleh proses fotokimia, yaitu suatu proses kimia yang membutuhkan sinar matahari mengoksidasi komponen-komponen yang tak segera dioksidasi oleh oksigen. Antioksidan adalah substansi yang diperlukan tubuh untuk menetralisir radikal bebas dan mencegah kerusakan yang ditimbulkan oleh radikal bebas terhadap sel normal, protein, dan lemak. Antioksidan menstabilkan radikal bebas dengan melengkapi kekurangan elektron yang dimiliki radikal bebas dan menghambat terjadinya reaksi berantai dari pembentukan radikal bebas yang dapat menimbulkan stress oksidatif.
28
DAFTAR PUSTAKA
Bast, A. et al (1991) : Oxidants and Anti-oksidants : State of Art Am.J.Med.,91 Suppl.3C, Paper 3C-2S
Cadenas, E. : Biochemistry of Oxygen Toxicity. Ann.Rev.Bioch. : 58 ; 79110. Ann.Rev.Inc. Palo Alto , USA 1989
Cochrane, G.C. (1991) : Cellular Injury by Oxidants. Am.J.Med. 91 : suppl. 3C, paper 3C-24S
Halliwell, B. (1991) : Reactive Oxygen Species in Living System : Source, Biochemistry and Role in Human Diseases. Am.J.Med. suppl. 3C, paper 3C14S.
nd
Murray, R.K. : Harper’s Biochemistry, 22 ed. Pp.142-143, Prentice-Hall Internat.Inc.London, U.K.1990
Naqui, A., Chance, B., Cadenas, E. : Reactive Oxygen Intermediates in Biochemistry. Ann.Rev. Bioch. 55 : 137-166, Ann. Rev. Inc. Palo Alto, USA 1995
Pine, H. S. et al : Radikal Bebas, dalam : Kimia Organik 2, ed. 4. Hal. 954 – 954 – 985, 1988. Terjemahan Bahasa Indonesia. Penerbit ITB Bandung.
Sies, H. (1991) : Oxidative Stress : From Basic Research to Clinical Applications : .Am.J.Med.. 91 suppl. 3C, paper 3C-31S
29
