Bab 21 Metabolisme Oksigen dan Toksisitas Oksigen

2 1 Metabolisme Oksigen dan Toksisitas OksigenRantai transpor elektron menggunakan lebih dari 90% dari konsumsi oksigen to- Oksigen adalah a a suatu biradikal O2tal, dan semua reaksi lain yang memerlukan oksigen di dalam tubuh hanya meng-gunakan 5-10%. Dalam rantai transpor elektron, O2 menerima elektron dari yang membentukNADH dan FAD(2H) yang berasal dari oksidasi bahan bakar. Dalam jalur ini,daya oksidasi molekul O2 yang sangat kuat akhirnya diubah menjadi ikatan fosfat OH*berenergi tinggi pada A TP. Sisa oksigen yang kita konsumsi digunakan oleh oksi- R O S . o:dase (enzim yang mereduksi oksigen menjadi air atau hidrogen peroksida) lain \ H-O,dan oleh oksigenase (enzim yang secara langsung menggabungkan oksigen ke da- Gbr. 21.1. O2 adalah suatu biradikal. O2 me-lam molekul yang sedang dioksidasi). Walaupun tidak digabungkan dengan pem- miliki kecenderungan membentuk spesies ok- sigen reaktif (ROS) yang toksik, misalnya radi-bentukan ATP, oksidasi yang terakhir ini penting untuk jalur metabolik spesifik, kal hidroksil (OH'), superoksida (O2\"), dan hidrogen peroksida (H2O2). O2 memiliki 2misalnya katabolisme asam amino, detoksifikasi obat, dan sintesis hormon steroid. elektron anti-pengikatan dengan putaran para- lel, yang ditandai oleh panah yang sejajar. Karena struktur elektronik oksigen, baik reaksi oksidasi fisiologis maupunreaksi toksikologis oksigen berlangsung melalui pemindahan elektron tunggal.Oksigen molekular (O2 atau dioksigen) memiliki dua elektron tidak berpasangandengan keadaan putaran paralel (Gbr. 21.1). Putaran paralel anti-pengikatanmencegah organisme C—H, seperti manusia, secara spontan menjadi panas danterbakar di atmosfir Oi- Malahan, oksidasi dapat terjadi melalui pemindahan elek-tron tunggal ke O2 melalui enzim yang mengandung logam transisi (misal, Fe^^ danCu\" dalam sitokrom oksidase). Namun, konsekuensi lain dari sifat 0 2 y a n g biradi-kal adalah bahwa O2 memiliki kecenderungan membentuk spesies oksigen yangsangat reaktif ^ r e a c t i v e o x v g e n s p e c i e s . ROS) yang dapat mencetuskan reaksi be-rantai radikal bebas (elektron tunggal) dan merusak komponen sel.Radikal oksigen dan turunannya dapat mematikan sel. Radikal hidroksil menyebab- Vitamin E,kan kerusakan oksidatif terhadap protein, D N A , lemak membran yang mengandung Enzim, jl e b i h d a r i s a t u i k a t a n r a n g k a p p a d a r a n t a i h i d r o k a r b o n (polyunsaturated), d a n k o m p o -nen sel lain. Pada beberapa kasus, radikal bebas oksigen merupakan penyebab lang- Pertahanansung penyakit (misal, kerusakan jaringan yang dicetuskan oleh pajanan k e radiasi sel , /pengion). Pada kasus lain, misalnya artritis rematoid, spesies oksigen reaktif meng-abadikan kerusakan sel yang disebabkan oleh proses lain. Sel granulomatosa m i - ROSsalnya makrofag dan neutrofil menggunakan spesies oksigen reaktif untuk menghan-curkan organisme asing selama fagositosis. Stres oksidatif Sel memiliki sejumlah mekanisme untuk melindungi diri terhadap kerusakan aki- Gbr. 21.2. Stres oksidatif Stres oksidatif ter-bat pembentukan spesies oksigen reaktif yang secara alami terjadi tiada hentinya. Su- jadi apabila spesies oksigen reaktif yang diha-peroksida dismutase ( S O D ) mengeluarkan radikal bebas superoksida sedangkan silkan lebih besar daripada yang dapat dibuangkatalase dan glutation peroksidase mengeluarkan hidrogen peroksida dan peroksida oleh mekanisme pertahanan sel. Mekanismelemak. Vitamin E dan vitamin C berfungsi sebagai antioksidan. Sel juga dilindungi pertahanan ini meliputi sejumlah enzim dan vi-oleh kompartementalisasi proses yang menghasilkan pembentukan spesies oksigen tamin antioksidan, misalnya vitamin E.yang sangat reaktif Stres oksidatif timbul apabila kecepatan pembentukan spesies ok-sigen reaktif melebihi kapasitas sel menyingkirkan spesies oksigen reaktif (Gbr.21.2). Dua tahun yang lalu. Les Dopaman, seorang pria berusia 62 tahun, me- rasakan peningkatan tremor pada tangan kanannya sewaktu sedang duduk tenang. Tremor menghilang apabila ia secara aktif menggunakan tangannyauntuk melakukan suatu pergerakan yang mempunyai tujuan tertentu. Seiring dengan 321

322 BAGIAN IV / PEMBENTUKAN ATP DARI BAHAN BAKAR METABOLIK semakin parahnya gejala ini,ia juga mengeluh kekakuan otot sehingga gerakannya melambat. Isterinya melihat adanya perubahan langkah pada suaminya; Tn. Dopaman mulai berjalan dengan langkah yang pendek dan kaki terseret serta doyong ke depan se- lagi berjalan. Ia sering dijumpai menatap ke depan dengan ekspresi wajah yang agak kaku. Isterinya melihat adanya tremor kelopak mata sewaktu T n . Dopaman tidur dan, baru-baru ini, tremor tungkai bawah selagi ia beristirahat. Karena progresivitas gejala ini dan adanya perubahan kepribadian yang hampir tidak kentara (kegelisahan dan la- bilitas emosi), isterinya meyakinkan agar Les berobat k e dokter keluarga mereka. Dokter mengenali tanda dangejala adanya gangguan gerakan yang relatif dini yang mungkin disebabkan oleh hilangnya neuron diganglion basal. Karena riwayat medis dan pemeriksaan fisik T n . Dopaman tidak menunjukkan kemungkinan dis- fungsi penyebab sekunder inti batang otak ini (misal, kerusakan pascaensefalitis, tok- sisitas obat, serangan serebrovaskular, trauma), dokter menyimpulkan bahwa pende- rita mungkin menderita parkinsonisme \"primer\" atau \"idiopatik,\"yaitu, penyakit Par- kinson, dan merujuk Tn. Dopaman keseorang ahli saraf 1 ^ ^ ! ^ C o r a N a r i membaik sejak bekuan darah di dalam arteri koronaria berhasil I M - J J dilisiskan oleh pemberian aktivator plasminogen jaringan ( T P A )rekombi- nan intravena. Terapi ini dengan cepat menghilangkan nyeri dada yang terasa meremukkan (angina) yang ia alami setelah ia diserang oleh anjing tetangga- nya. Pada kunjungan pertama ke ahli jantung setelah ia dipulangkan dari rumah sakit, Cora diberitahu bahwa ia mengalami kontraksi prematur multipel pada otot ventrikel jantung sewaktu bekuan dalam arteri koronaria tersebut sedang dilisiskan. Kadang- kadang, denyut prematur initimbul dalam \"giliran\" 7 atau 8kali berturut-turut. Proses ini dapat berkembang menjadi aritmia yang mengancam jiwa yang dikenal sebagai fi- brilasi ventrikel, suatu keadaan di mana denyut prematur yang cepat ini berlangsung sangat cepat sehingga membahayakan curah jantung dan akhirnya menimbulkan ke- matian. Namun, aritmia Cora berespons dengan cepat terhadap supresi farmakologis dan tidak kambuh selama iadirawat dirumah sakit. Dokter menjelaskan bahwa arit- mia benar-benar dapat terjadi akibat iskemia berat (tidak adanya aliran darah) di da- lam otot jantung akibat sumbatan vaskular oleh bekuan ditempat plak aterosklerotik koroner. Namun, karena denyut yang cepat mulai timbul selama pemberian infus akti- vator plasminogen jaringan, kemungkinan besar denyut yang cepat tersebut lebih merupakan akibat reperfusi daerah pada otot ventrikel jantung yang sebelumnya iske- m i k oleh darah beroksigen sewaktu bekuan mengalami lisis. Fenomena ini dikenal se- bagai cedera iskemia-reperfusi. Cedera reperfusi dipercaya disebabkan oleh pemben- tukan spesies oksigen reaktif sitotoksik yang berasal dari oksigen molekular dalam darah yang memulihkan perfusi sel yang sebelumnya hipoksik. SIFAT DAN SPESIES OKSIGEN REAKTIF Bagi manusia, oksigen adalah zat yang penting sekaligus toksik. Struktur elektronik o k s i g e n (O2, d i o k s i g e n ) m e r u p a k a n p e n y e b a b p a r a d o k s i n i k a r e n a s t r u k t u r t e r s e b u t ^ mendorong terjadinya reduksi oksigen dalam langkah elektron tunggal. Reduksi yang bertahap ini memperlambat penggabungan langsung oksigen dengan senyawa orga- nik (pembakaran spontan) dan memungkinkan sel mengoksidasi bahan bakar melalui kerja dehidrogenase, yang akhirnya menggabungkan daya reduksi oksigen dengan pembentukan A T P dalam rantai transpor elektron. D i pihak lain, struktur oksigen juga menyebabkan terbentuknya radikal oksigen dan spesies oksigen reaktif lain yang m a m p u menyebabkan cedera sel (Gbr. 21.3). Peran oksigen dalam cedera sel tercer- min dalam peristiwa yang terjadi selama iskemia (keadaan yang disebabkan oleh pe- nurunan pasokan oksigen sehingga pembentukan A T P berkurang), dan dalam kondisi lain yang meningkatkan perubahan oksigen menjadi spesies oksigen reaktif Oksigen dan Restriksi Spin K a r a k t e r i s t i k O2 y a n g b e r p e r a n m e n i m b u l k a n p e r k e m b a n g a n e v o l u s i k e h i d u p a n d a - lam lingkungan yang kaya oksigen adalah adanya duaelektron tidak berpasangan

BAB 21 / METABOLISME OKSIGEN DAN TOKSISITAS OKSIGEN 323 Metabolisme normal Suatu radikal, berdasarkan de- finisi, adalah suatu atom yangPeradangan ^ pOz yang tinggi memiliki sebuah elektron tidak berpasangan di orbital sebelah luar. Zat iniRadiasi /wv/w^Q2 Asap k a b u t (O3, NO2) sangat reaktif, d a n dapat mencetuskan reaksi berantai dengan mengekstraksi se-Penuaan Kimia dan obat buah elektron dari molekul di dekatnya un- tuk melengkapi orbitalnya sendiri. Seba- - Cedera reperfusi liknya, logam transisi, misalnya Fe, C u , dan M o bersifat lebih stabil dan tidak di-I Spesies oksigen reaktif anggap sebagai radikal bebas. (O2, H2O2, OH») O2 s e b e n a r n y a a d a l a h s u a t u b i r a d i k a l ; molekul ini memiliki duaelektron tidak ber- pasangan. Karena memiliki spin paralel, kedua elektron tersebut tidak dapat mem- bentuk pasangan yang stabil secara ter- modinamis, d a nberada di orbital yang terpisah.G b r . 21.3. P e r a n o k s i g e n d a l a m cedera sel. O2 d i p e r l u k a n u n t u k m e m b e n t u k A T P d a r i f o s f o r i - O2 Oksigenlasi oksidatif, tetapi oksigen juga bersifat toksik. Metabolisme oksigen yang normal dengan ti-ada h e n t i n y a m e n g u b a h O2 m e n j a d i spesies o k s i g e n r e a k t i f ( R O S ) , y a n g dapat m e n y e b a b k a n o:cedera sel. Berbagai rangsangan, misalnya radiasi, peradangan, penuaan, dan tekanan parsial Superoksidao k s i g e n (PO2) y a n g l e b i h t i n g g i daripada n o r m a l , m e n i n g k a t k a n p e m b e n t u k a n R O S . O z o n (O3) -e-dan n i t r o g e n d i o k s i d a (NO2) adalah p o l u t a n u d a r a y a n g m e m b e n t u k r a d i k a l bebas d i d a l a m selparu, m e n i m b u l k a n e m f i s e m a d a n f i b r o s i s p a m . T i d a k a d a n y a O2 k a r e n a p e n u m n a n a l i r a n d a -rah akibat adanya bekuan (iskemia) juga menyebabkan cedera sel. Masuknya kembali oksigen(reperfusi) meningkatkan cedera sel akibat ROS. Dimodifikasi dari Cotran RS, Robbins SL,K u m a r V . Robbins pathoiogic basis of disease. P h i l a d e l p h i a : W B Saunders, 1 9 9 4 : 5 .dengan spin paralel. Molekul organik yang khusus berfungsi sebagai substrat untuk Hidrogen peroksidaoksidasi (misalnya bagian — C H — O H dari malat atau isositrat) tidak mengandung e-. H^elektron tidak berpasangan; ikatarmya berada dalam bentuk stabil 2 elektron dengans p i n a n t i p a r a l e l . A g a r O2 d a p a t m e n e r i m a s e p a s a n g e l e k t r o n d a r i s u a t u s u b s t r a t , s p i n H2O + OH*s a l a h s a t u e l e k t r o n p a d a O2 a t a u s p i n s a l a h s a t u d a r i p a s a n g a n e l e k t r o n p a d a s u b s t r a t Radikalharus berubah. Perubahan spin memiliki sawar (rintangan) termodinamik yang besar, hidroksildan prosesnya harus berlangsung dalam beberapa tahap dengan energi pengaktifanyang tinggi. Sawar kinetik yang timbul akibat restriksi spin ini memperlambat oksi- . - e - H^dasi langsung ikatan — C — H pada molekul organik dan menghalangi pembakaranbahan bakar yang spontan. H2O R e d u k s i s a t u - e l e k t r o n O2 t i d a k t e r k e n a s a w a r k i n e t i k y a n g d i t i m b u l k a n o l e h G b r . 21.4. L a n g k a h - l a n g k a h r e d u k s i satu-r e s t r i k s i s p i n , d a n t e r j a d i d e n g a n a d a n y a d o n o r s a t u - e l e k t r o n . M o l e k u l O2, y a n g d a p a t elektron pada oksigen. Langkah reduksi satu-m e n e r i m a t o t a l 4 e l e k t r o n agar t e r e d u k s i m e n j a d i 2 m o l e k u l H2O, dapat d i r e d u k s i e l e k t r o n pada O2 m e n g h a s i l k a n superoksida,sekaligus dengan satu elektron (Gbr. 21.4). Namun, tahap pertama, pembentukan su- hidrogen peroksida, danradikal hidroksil. Su-peroksida, secara termodinamis kurang menguntungkan dan memerlukan zat pere- peroksida adalah suatu radikal bebas, dan k aduksi yang cukup kuat yang dapat memberikan elektron tunggal. Enzim yang meng- dang-kadang d i t u l i s 02*. N a m u n , superoksidakatalisis reduksi oksigen, misalnya sitokrom oksidase dalam rantai transpor elektron, hanya memiliki satu elektron yang tidak ber-harus memiliki mekanisme untuk menyebabkan restriksi spin dan/atau kebutuhan pasangan dan, oleh karena itu, kurang radikalenergi untuk transfer elektron pertama. Selain itu, enzim tersebut harus memiliki tem- apabila d i b a n d i n g k a n dengan O2, y a n g m e m i -pat aktif yang mencegah interaksi bentuk oksigen yang tereduksi secara parsial ini de- l i k i 2 e l e k t r o n t i d a k berpasangan. H2O2, b e n t u kngan komponen sel lairmya. Sebelum meneliti bagaimana oksidase dan oksigenase tereduksi-separuh d a r i O2, t e l a h m e n e r i m a 2berfungsi, marilah kita menelaah beberapa konsekuensi dari pembentukan zat antara elektron dan,oleh karena itu, bukan mempa-satu-elektron yang sangat reaktif pada proses reduksi oksigen ini. kan radikal oksigen. Namun, ia dianggap spe- sies oksigen reaktif karena dengan cepat d i -Spesies Oksigen Reaktif ubah menjadi radikal hidroksil.Metabolit oksigen yang utama yang dihasilkan melalui reduksi satu-elektron oksigena d a l a h spesies o k s i g e n r e a k t i f ( R O S ) : s u p e r o k s i d a (O2-), r a d i k a l b e b a s h i d r o k s i l

324 BAGIAN IV / PEMBENTUKAN ATP DARI BAHAN BAKAR METABOLIK Reaksi Fenton ( O H * ) , d a n b e n t u k o k s i g e n y a n g t e r e d u k s i s e c a r a p a r s i a l , h i d r o g e n p e r o k s i d a (H2O2) (Tabel 21.1). Radikal bebas m a m p u bereaksi tanpa pandang bulu dengan setiap m o - 2^2 1 lekul yang berkontak dengannya, menarik elektron, dan membentuk radikal bebas yang baru dalam reaksi berantai oksidatif sitotoksik. Radikal hidroksil mungkin f OH»: merupakan spesies oksigen reaktif yang paling poten, dan mungkin menjadi inisiator + atau pencetus reaksi berantai tersebut yang membentuk peroksida lemak dan radikal organik. Hidrogen peroksida, w^alaupun sebenarnya bukan suatu radikal, adalah zat OH\"\" pengoksidasi dan, dengan adanya Fe^^ atau logam transisi lainnya, menghasilkan ra-Reaksi Haber-Weiss dikal hidroksil melaluireaksi Fenton (Gbr. 21.5). Karena larut lemak, hidrogen perok- sida dapat menimbulkan kerusakan di membran lokal yang mengandung Fe^^ yang :02: terletak jauh dari tempat pembentukannya. Anion superoksida, yang dapat terbentuk iH^o^^: d a r i O2 b e b a s d e n g a n p e m b e r i a n s a t u e l e k t r o n k e r a d i k a l b e b a s l a i n , s a n g a t r e a k t i f tetapi memiliki kelarutan lemak yang terbatas dan tidak dapat berdifusi jauh. Namun, O2'juga dapat menghasilkan radikal hidroksil dan hidroperoksi yang lebih reaktif me- lalui reaksi dengan hidrogen peroksida dalam reaksi Haber-Weiss. HOCl, atau asam hipoklorit, adalah komponen reaktif yang utama dalam bahan pemutih rumah tangga. P a d a m a n u s i a , z a t i n i d i b e n t u k o l e h n e u t r o f i l d a n s e l g r a n u l o m a t o s a l a i n d a r i H2O2 se- lama destruksi organisme asing sebagai respons yang disebut ledakan pemapasan (respiratory burst). -H^ Pembentukan Radikal Lemak dan Peroksi Lemak O2 Pembentukan radikal bebas lemak dan peroksida lemak dianggap suatu ciri-ciri yang + penting dalam cedera sel yang disebabkan oleh spesies oksigen reaktif (Gbr. 21.6). Jenis reaksi ini, yang disebut auto-oksidasi radikal bebas, memerlukan suatu inisiator H2O (misalnya radikal hidroksil) agar reaksi berantai tersebut dapat berjalan. Seperti tahap r e d u k s i s a t u - e l e k t r o n p a d a O2, a u t o - o k s i d a s i r a d i k a l b e b a s t i d a k t e r k e n a s a w a r k i n e t i k JOH»j dari restriksi spin. Peroksidasi biasanya dimulai dengan ekstraksi atom hidrogen yangG b r . 21.5. Pembentukan radikal hidroksil oleh mengandung satu elektron dari ikatan rangkap terkonjugasi dalam asam lemak. Pem-reaksi Fenton dan Haber-Weiss. Dalam versi bentukan radikal hidroksil setempat dari hidrogen peroksida, yang diperantarai olehyang disederhanakan dari reaksi ini seperti Fe^^, dapat mencetuskan reaksi berantai tersebut. H a l inidiperbanyak oleh penambah-diperlihatkan di sini, pemindahan elektron an oksigen untuk membentuk radikal peroksil lemak dan peroksida lemak (lihat Gbr.tunggal menghasilkan radikal hidroksil. Spe- 21.6). A s a m lemak utama yang mengalami peroksidasi lemak di dalam membran selsies oksigen reaktif diperlihatkan dalam kotak a d a l a h a s a m l^mdkpolyunsaturated. A k h i r n y a t e r j a d i d e g r a d a s i l e m a k , d a n t e r b e n t u kwarna abu-abu. Logam lain, misalnya C u \ berbagai produk seperti malondialdehida (dari asam lemak dengan tiga atau lebihjuga dapat berfungsi sebagai donor elektron- ikatan rangkap) serta etana dan pentana (berturut-turut dari karbon terminal-co daritunggal dalam reaksi Fenton. a s a m l e m a k co3 d a n co6). M a l o n d i a l d e h i d a m u n c u l d i d a l a m d a r a h d a n u r i n d a n d i g u - nakan sebagai indikator adanya kerusakan akibat radikal bebas. Tabel 21.1. Spesies Oksigen Reaktif Asai dan Karakteristik Anion superoksida Dihasilkan oleh rantai transpor elektron dan di tempat lain. Menghasilkan spesies oksigen reaktif lainnya, tetapi tidak dapat berdifusi jauh dari tem- Toksisitas oksigen berkaitan de- H.0, pat asal. ngan pembentukan radikal be- Bukan suatu radikal bebas, tetapi dapat membentuk radikal bebas bas oksigen yang, melalui inte- Hidrogen peroksida melalui reaksi dengan logam transisi (misal, Fe^*). Dapat berdifusi keraksinya dengan lemak, protein, karbohi- dalam dan menembus membran sel.drat, d a n DNA, menyebabkan disfungsi OK spesies yang paling reaktif dalam menyerang molekul biologis. Dihasil-sel. Bukti adanya kerusakan radikal bebas Radikal hidroksil kan oleh H2O2 dengan adanya Fe'\dijumpai pada lebih dari 100 penyakit (se- R* Suatu radikal bebas organik yang dihasilkan dari RH oleh serangan OH\".bagian dari penyakit tersebut tercantum RH dapat berupa karbon pada ikatan rangkap suatu asam lemakdalam Tabel 21.2). Kerusakan radikal be- Radikal organik (menghasilkan —C*=C—) atau RSH (menghasilkan R—S»).bas dapat merupakan penyebab primer Suatu radikal peroksida organik, seperti yang terbentuk sewaktu degra-penyakit tersebut, dapat memperparah pe- RCOO* dasi lemaknyulit penyakit tersebut, atau dapat meru- Dihasilkan oleh bakteri sewaktu ledakan pernapasan untuk menghancur-pakan akibat dari kerusakan sel yang dise- Radikal peroksida organik kan organisme yang masukbabkan oleh agen lain. Oksigen dengan spin antiparalel. Terbentuk pada tekanan oksigen yang HOCl tinggi dari penyerapan energi. Meluruh disertai pelepasan cahaya. Asam hipoklorit • o,n Oksigen singlet

BAB 21 / METABOLISME OKSIGEN DAN TOKSISITAS OKSIGEN 325Tabel 21.2. Sebagian Keadaan Penyakit yang Berkaitan dengan Cedera Radikal BebasAterogenesis A. InisiasiEmfisema/bronkitis y,Penyakit Parkinson '\/=v===v=v''Distrofi otot tipe DuchenneKehamilan/preeklamsia B. PengembanganKanker serviksPenyakit hati alkoholik L . + O2 LOO*Penderita hemodialisisDiabetes L00« + L H — • L O O H -f L *Gagal ginjal akutSindrom Down QPenuaanFibroplasia retrolentalGangguan serebrovaskularCedera iskemia/repertusi 100* H SPESIES OKSIGEN REAKTIF DAN KERUSAKAN SEL Peroksida lemak LOOHProtein, lemak membran, karbohidrat, dan asam nukleat dapat menjadi sasaran keru-sakan sel akibat radikal oksigen (Gbr. 21.7). Kerusakan radikal bebas ini diperkirakan C. Degradasiberperan menimbulkan penyulit pada banyak penyakit (lihat Tabel 21.2). Pada pro-tein, asam amino prolin, histidin,arginin, sistein, dan metionin terutama rentan terha- Maloridialdehsda Peroksida lemak yangdap serangan radikal hidroksil dan kerusakan oksidatif. Oksidasi asam amino dalam mengalami degradasiprotein menimbulkan fragmentasi protein, pembentukan ikatan-silang dan agregasi,dan kerentanan terhadap digesti proteolitik. D. Penghentian LOOH + LH LOO* + L * Peroksidasi molekul lemak selalu mengubah atau merusak struktur molekul le-mak. Selain sifat peroksidasi lemak membran yang secara alami menghancurkan diri- ataunya sendiri, aldehida yang terbentuk dapat menimbulkan ikatan-silang pada protein.Apabila lemak yang rusak adalah konstituen suatu membran biologis, susunan lapis- L* + Vit E — • L H + Vit E *ganda lemak yang kohesif dan organisasi struktural akan terganggu (lihat Gbr. 21.7). V i t E * + L» — • L H + V i t E o k s Radikal bebas tanpa-oksigen juga merupakan sumber utama kerusakan D N A .Saat ini telah diketahui sekitar 20 jenis molekul D N A yang mengalami gangguan ok-sidatif Pengikatan nonspesifik Fe^^ ke D N A mempermudah terbentuknya radikal hi-droksil lokal setempat, yang dapat menyebabkan pemutusan untai dan perubahan basaD N A . Sampai tahap tertentu, kerusakan D N A inidapat diperbaiki oleh sel tersebut (li-hat Bab 12). REAKSI YANG DIKATALISIS OLEH ENZIM YANG G b r . 21.6. Peroksidasi lemak: suatu reaksi be- MENGGUNAKAN O^ rantai radikal bebas. A . Peroksidasi lemak di- cetuskan oleh sebuah senyawa radikal bebas,Enzim yang substratnya oksigen harus mereduksi oksigen dalam suatu cara yang misalnya radikal hidroksil, yang mengek-terkontrol tanpa membebaskan zat antara radikal bebas yang sangat reaktif ke ling- straksi sebuah hidrogen dari lemak polyunsatu-kungan sekitarnya. Enzim inimenggunakan ion logam, flavin, dan kofaktor lain untuk rated (LH), sehingga terbentuk suatu radikalmengatasi sawar kinetik yang timbul akibat adanya restriksi spin dan sawar energi un- lemak (L'). B . Reaksi berantai radikal bebastuk melakukan langkah pertama dalam jalur reduksi satu-elektron. Zat antara oksigen diperluas oleh penambahan O2, yang memben-reaktif yang terbentuk biasanya tetap terikat dengan erat ke tempat aktif enzim, bia- tuk radikal peroksi lemak (LOO*) dan perok-sanya sebagai kompleks metalo-oksigen, sampai reaksi tersebut selesai. Dengan se- sida lemak (LOOH). C . Penyusunan ulangdikit pengecualian, satu-satunya spesies oksigen reaktif yang dibebaskan selama ber- elektron tunggal menyebabkan lemak menga-langsungnya reaksi yang nonnal adalah hidrogen peroksida. lami degradasi. Malondialdehida, salah satu senyawa yang ter-bentuk, larut dan dapat di- E n z i m y a n g m e n g k a t a l i s i s r e a k s i y a n g m e l i b a t k a n O2 d a p a t d i k l a s i f i k a s i k a n s e b a - jumpai dalam darah. D . Reaksi berantai dapatg a i o k s i d a s e a t a u o k s i g e n a s e ( G b r . 2 1 . 8 ) . O k s i d a s e m e m i n d a h k a n e l e k t r o n k e O2, dihentikan oleh antioksidan, misalnya vitaminy a n g t e r e d u k s i m e n j a d i H2O a t a u H2O2. O k s i g e n a s e m e m a s u k k a n o k s i g e n k e d a l a m E, yang memberikan elektron tunggal dalamsubstrat tersebut; monooksigenase memasukkan satu atom oksigen ke dalam substrat dua reaksi ber-urutan untuk membentuk se- nyawa teroksidasi yang stabil.

326 BAGIAN IV / PEMBENTUKAN ATP DARI BAHAN BAKAR METABOLIK Tanda patologis yang resmi pa- Kerusakan Kerusakan da penderita penyakit Parkin- protein mitokondria son, seperti L e s Dopaman,adalah hilangnya secara bertahap sel Kerusakansaraf penghasil-dopamin di ganglion basal membranpada batang otak. Neurotransmiter dopa-min menghentikan suatu jenjang sinyal Kerusakan Pembengkakanyang mengatur aktivitas motorik atau ge- DNA selrakan normal. Pada penyakit Parkinson, kerusakan Peningkatansel dipostulasikan disebabkan, sebagian, permeabilitasakibat pembentukan radikal bebas oksi-gen yang berlebihan dan/atau berkurang- Influks Ca,+nya kemampuan inaktivasi radikal bebas besar-besarandi dalam inti ganglion basal. Karena nu-kleus kaudatus striatum tersebut juga ber- Peroksidasi l e m a kperan dalam fungsi emosi dan kognitif, de-fisiensi sintesis neurotransmiter yang Gbr. 21.7. C e d e r a sel y a n g d i p e r a n t a r a i o l e h r a d i k a l bebas. S u p e r o k s i d a dan r a d i k a l h i d r o k s i ldisebabkan oleh kerusakan sel yang dice- mencetuskan peroksidasi lemak di membran sel, mitokondria, inti, dan retikulum endoplasma.tuskan oleh radikal bebas oksigen pada Peningkatan permeabilitas sel menyebabkan masuknya Ca^\ yang menyebabkan kerusakannukleus ini dapat menjelaskan perubahan mitokondria lebih lanjut. Gugus sulfhidril sistein dan residu asam amino lain pada proteinkepribadian dan gangguan mental yang mengalami oksidasi dan degradasi. D N A inti dan mitokondriamengalami oksidasi, sehinggatampak pada beberapa penderita dengan terjadi pemutusan rantai dan jenis kerusakan lain.penyakit Parkinson tahap lanjut. Adanyapeningkatan kadar peroksida lemak danmalondialdehida (lihat Gbr. 21.6) di bagianotak ini merupakan bukti bahwa spesiesoksigen reaktif berperan dalam patogene-sis penyakit ini. Pada penderita dengan anemia tersebut dan mereduksi atom oksigen yang lain menjadi H2O. Dioksigenase me- hemolitik dan hemoglobin yang masukkan kedua atom oksigen ke dalam substrat tersebut. tidak stabil, kerusakan oksidasipada sel darah merah menyebabkan ter- Oksidasebentuknya agregat protein yang dikenalsebagai badan Heinz (lihat Bab 28). Pada Sitokrom c oksidase, kompleks transpor elektron terminal pada rantai transpor elek-penderita katarak, protein lensa mata juga tron (sitokrom aa^) adalah salah satu contoh oksidase. Zat ini mengkatalisis reduksi 4-memperiihatkan tanda kerusakan radikal elektron O2 menjadi H2O. Dalam reaksi tersebut, O2 terikat ke 2 ion logam paramag-bebas, dan mengandung residu metionin netik (satu Cu\"^ dan satu Fe-hem) di tempat aktif, sehingga restriksi spin dapat diatasi.suifoksida dan produk degradasi triptofan. O2 kemudian direduksi dalam suatu langkah 2-elektron untuk menghasilkan perok- sida, sehingga reduksi satu-elektron yang tidak menguntungkan yang dapat menye- Munculnya pigmen penuaan babkan terbentuknya superoksida bebas dapat dihindari. Dua elektron tambahan (bercak hati), yang sering di- menyebabkan reduksi zat antara oksigen reaktif, sehingga terbentuk 2 mol H2O per jumpai di kulit punggung tangan mol O2 yang direduksi. Mekanisme ini memungkinkan reaksi tersebut berlangsungdan secara tradisional dianggap meru- dengan cara yang sangat terkontrol tanpa adanya interaksi antara radikal bebas oksi-pakan tanda penuaan yang resmi, mengi- gen dan komponen mitokondria di dekatnya.syaratkan adanya kaitan antara cederaradikal bebas dan kerusakan lemak yang Sebagian besar oksidase di dalam sel membentuk hidrogen peroksida (H2O2) danprogresif. Pigmen lipofusin (dari bahasa bukan H2O. Enzim ini biasanya hanya ditemukan di peroksisom atau mitokondria,Yunani \"liposT yang berarti lemak dan ba- tempat hidrogen peroksida dibersihkan oleh dua enzim pertahanan sel, katalase atauhasa Latin \"fuscu^ yang berarti gelap) ter- glutation peroksidase.diri dari campuran heterogen lemak yangmengalami polimerisasi dan pengikatan si- Oksigenaselang serta beberapa produk protein yangtidak tercerna yang terbentuk dari malondi- Berlainan dengan oksidase, oksigenase memasukkan satu atau dua atom oksigen kealdehida dan produk peroksidasi lemak. dalam substrat. Monooksigenase, enzim yang memasukkan satu atom O2 ke dalamZat-zat ini diperidrakan berasal dari keru- substrat dan satu atom O2 yang lain ke dalam H2O, sering diberi nama hidroksilasesakan organel sel peroksidatif yang diauto- (misal, fenilalanin hidroksilase, yang menambahkan sebuah gugus hidroksil ke fenil-fagositosis oleh lisosom tetapi tidak dapatdicema oleh lisosom.

BAB 21 / METABOLISME OKSIGEN DAN TOKSISITAS OKSIGEN 327alanin untuk membentuk tirosin). Monooksigenase memerlukan sebuah substrat Cora Nari semula bingung ter-pemberi-elektron misalnya N A D P H , suatu koenzim misalnya F A D yang dapat m e - hadap pernyataan dokter bahwamindahkan elektron tunggal, danlogam atau senyawa serupa untuk membentuk kom- lisis bekuan intrakoroner mung-pleks oksigen reaktif. kin mencetus aritmia jantung yang timbul setelah pemberian aktivator plasminogenENZIM SITOKROM P450 jaringan. Banyak penelitian telah membuk- tikan bahwa, walaupun pemulihan tepat-Enzim sitokrom P450 adalah suatu superfamili dari monooksigenase yang struk- waktu aliran darah kejaringan yang ku-turnya saling berkaitan yang menghidroksilasi banyak senyawa fisiologis, misalnya rang mendapat perfusi sangat penting un-steroid danasam lemak, danbanyak senyawa xenobiotik, misalnya obat, karsinogen, tuk mencegah kematian sel iskemik,na-dan bahan dari lingkungan (Gbr. 21.9). Seperti monooksigenase lain, enzim ini me- mun pajanan ulang yang sama ke darahm a s u k k a n s a t u a t o m O2 k e d a l a m s u b s t r a t , y a n g b i a s a n y a m e n g a l a m i h i d r o k s i l a s i d a - arteri beroksigen mungkin merupakanl a m p r o s e s i n i , d a n s a t u a t o m O2 k e d a l a m H2O. E l e k t r o n b i a s a n y a d i b e r i k a n o l e h penyebab perubahan anatomik dan fung-N A D P H . Pada manusia, terdapat sekitar 100 isoenzim P450 yang berbeda dengan sional akut dijaringan yang baru menda-spesifisitas yang berbeda tetapi tumpang-tindih. Isoenzim-isoenzim tersebut semua- pat perfusi tersebut. Dari banyak hipotesisnya memiliki duakomponen utama: sebuah sistem reduktase pemberi-elektron yang mengenai mekanisme untuk cedera reper-memindahkan elektron dari N A D P H , dan sebuah sitokrom P450 yang berikatan de- fusi, pembentukan radikal bebas oksigenn g a n s u b s t r a t d a n O2 d a n m e n j a l a n k a n r e a k s i t e r s e b u t . adalah hipotesis yang paling masuk akal. Mekanisme lain, beban kalsium yang ber-DIOKSIGENASE lebihan pada sel yang terpajan stres iske- mik, mengisyaratkan bahwa peningkatanDioksigenase, enzim yang memasukkan kedua atom oksigen ke dalam substrat, dite- kalsium bebas sitosolik (yang terjadi se-mukan dijalur yang mengubah arakidonat menjadi prostaglandin, tromboksan, dan lama iskemia dansemakin meningkat se-leukotrien (lihat Bab 35). Lipooksigenase, misalnya, membentuk peroksida organik telah reperfusi) mengaktifkan fosfolipasesebagai zatantara dalam jalur sintesis leukotrien.Dalam degradasi asam amino, diok- dan enzim degradatif lainnya yang menye-sigenase juga digunakan pemutusan karbon-karbon. babkan cedera sel. Kedua hipotesis ini berkaitan. Misalnya, pembentukan radikallayiBEiJPiSLEiOJSlG^^^ bebas oksigen menyebabkan peroksidasi asam lemak polyunsaturated di membranD i dalam sel, spesies oksigen reaktif dibentuk dengan tak henti-hentinya melalui jalur plasma serta dimembran organel subsel.metabolik normal (lihat Gbr. 21.3). Zat antara radikal bebas dari reaksi enzimatik \"bo- Perubahan inimeningkatkan aliran ion kal- sium bebas kedalam sitosol sel yang ber- sangkutan, sehingga meningkatkan ke- rusakan selkarena terjadi peningkatan ak- tivitas enzim degradatif. OksidaseNADPH NADP^H* O2 + 48\", 4H-^ — 2H2O O2 + SH2 • S + HaOg RH Op ROH. HpO Monooksigenase Oc> + S + D o n o r • elektron-XH2 H2O + Donor + S - O H elektron-X Sitokrom Sitokrons Dioksigenase so.P450 reduktase S + Oj, P45iGbr. 21.9. E n z i m s i t o k r o m P 4 5 0 . E n z i m s i t o k r o m P 4 5 0 m i k r o s o m t e r d i r i d a r i d u a u n i t f u n g - Gbr. 21.8. O k s i d a s e , m o n o o k s i g e n a s e , dan d i -sional yang terbenam didalam membran retikulum endoplasma: sitokrom P450 dan sitokrom oksigenase. Enzim-enzim yang menggunakanP450 reduktase, suatu sistem pemberi-elektron yang dependen-NADPH. Sitokrom P450 me- oksigen untuk mengoksidasi substrat organikn g a n d u n g t e m p a t i k a t a n u n t u k O2 d a n substrat ( R H ) , d a n s e b u a h F e - h e m y a n g serupa d e n g a n (diperlihatkan dalam diagram sebagai S) dapatyang terdapat di dalam hemoglobin. \"P450\" menunjukkan sebuah pigmen, hem, yang me-n y e r a p sinar t a m p a k p a d a p a n j a n g g e l o m b a n g 4 5 0 n m . O2 b e r i k a t a n d e n g a n P 4 5 0 F e - h e m d i diklasifikasikan sebagai oksidase, monooksi-tempat aktif, dan diaktifkanmenjadi bentuk reaktif dengan menerima elektron. Elektron diberi- genase, atau dioksigenase. Oksidase mereduk- s i k e d u a a t o m O2 m e n j a d i H2O atau m e n j a d ikan oleh sitokrom P450 reduktase, yang mengandung sebuah F A Dditambah sebuah F M N atau H2O2. M o n o o k s i g e n a s e m e m a s u k k a n satupusat F e - S u n t u k m e m p e r m u d a h p e m i n d a h a n e l e k t r o n t u n g g a l d a r i N A D P H k e O2. a t o m O2 k e d a l a m substrat d a n satu a t o m O2 k e dalam air. Dioksigenase memasukkan kedua a t o m O2 k e d a l a m s u b s t r a t

328 BAGIAN IV / PEMBENTUKAN ATP DARI BAHAN BAKAR METABOLIK 21.1: Dapatkah suatu enzim di- c o r \" d a r i t e m p a t a k t i f e n z i m a k i b a t i n t e r a k s i s e c a r a t i d a k s e n g a j a d e n g a n O2 a t a u se- rancang agar mampu memin- nyawa lain. Hidrogen peroksida, yang terbentuk oleh sebagian oksidase yang dijelas- dahkan elektron secara lang- kan di atas, dibebaskan ke lingkungan sekitar dan menghasilkan radikal hidroksil disung dari N A D H ke O^? tempat yang mengandung besi di dalam sel. Obat, radiasi ultraviolet alami, polutan udara, dan zat kimia lainnya juga dapat bekerja pada sel untuk meningkatkan pemben- 21.2: Sebagian besar monooksi- tukan radikal bebas. genase menggunakan NADPH, bukan NADH, sebagai sumber Koenzim Q Menghasilkan Superoksidaelektron. Mengapa NADPH adalah koen-zim yang dipilih? Salah satu tempat utama pembentukan superoksida adalah rantai transpor elektron, yang \"membocorkan\" radikal bebas di koenzim Q ( K o Q ) (Gbr. 21.10). Walaupun ra-NADH NAD^ dikal bebas yang dihasilkan oleh sitokrom oksidase terikat erat ke enzim dalam suatu ^\"«aksi y a n g t e r k o n t r o l k e t a t , b e n t u k K o Q s a t u - e l e k t r o n b e r a d a b e b a s d i d a l a m m e m - b r a n i t u . I n t e r a k s i n o n s p e s i f i k y a n g t e r j a d i s e c a r a k e b e t u l a n a n t a r a K o Q H ' d a n O2 menyebabkan terbentuknya superoksida. Dengan cara serupa, zat antara oksidase dan monooksigenase yang terikat ke enzim dapat secara kebetulan mengekstraksi sebuah elektron dari beberapa molekul lain dan mencetuskan reaksi berantai. KoQ Ledakan Pernapasan Selama Fagositosis Selama fagositosis terjadi pembebasan spesies oksigen reaktif. Ledakan pemapasan yang timbul di dalam sel granulomatosa sebagai respons terhadap agen infeksiosa atau rangsangan lain adalah sumber utama anion superoksida, hidrogen peroksida, ra- dikal hidroksil,dan hipoklorit(HOCl), nitrogen monoksida ( N O ) , dan radikal bebas lainnya (Gbr. 21.11). Proses ini adalah pusat sistem pertahanan manusia terhadap mikroba, dan dimaksudkan untuk merusak membran dan komponen sel lainnya dari organisme yang masuk.Gbr. 21.10. Pembentukan superoksida olehrantai transpor elektron. KoQ tereduksi di da-lam rantai transpor elektron mitokondria ada-lah sumber utama radikal bebas oksigen. Se-bagian elektron yang sedang dipindahkan dariNADH dan senyawa lain ke O2 \"lolos\" sewaktuKoQH' berinteraksi dengan O2 untuk memben-tuk radikal superoksida. Sebaliknya, pusat Fe-Cu binuklear pada sitokrom oksidase mence-gah pelepasan radikal oksigen bebas. Mekanisme swa-pehgkekalan Invaginasi membran dari pembebasan radikal oleh sitoplasma neutrofil neutrofil selama peradangandan pembentukan kompleks imun dapat Gbr. 21.11. Pembentukan spesies oksigen reaktif selama ledakan pemapasan fagositik olehmenjelaskan beberapa ciri-ciri peradang- makrofag, neutrofil, dan eosinofil yang diaktifkan. Pengaktifan NADPH oksidase, yang di-an kronik yang dijumpai pada penderita ar- perkirakan terjadi di sisi sebelah luar membran plasma, mencetuskan ledakan pemapasan diser-tritis rematoid. Akibat pelepasan radikal tai pembentukan superoksida. Selama fagositosis, membran plasma membentuk invaginasi, se-bebas, protein imunoglobulinG (IgG) yang hingga superoksida dibebaskan ke dalam ruang vakuol. Anion superoksida (baik secara spon-terdapat di dalam cairan sinovium menga- tan atau secara enzimatis melalui superoksida dismutase) menghasilkan spesies reaktif lain, ter-lami oksidasi secara parsial, meningkat- masuk H2O2 dan radikal hidroksil. Mieloperoksidase, suatu enzim yang mengandung Fe-hemkan daya lekat imunoglobulin tersebut k e dan terdapat di dalam granula neutrofil, disekresikan ke dalam vakuol, tempat enzim tersebutantibodi faktor rematoid. Sebaliknya, peng- membentuk HOCl dan halida lainnya. Hasilnya adalah serangan terhadap membran dan se-ikatan ini merangsang neutrofil melepas- nyawa lain dari sel bakteri, dan akhirnya lisis bakteri. Proses keseluruhan disebut sebagai le-kan lebih banyak radikal bebas. dakan pemapasan karena hanya berlangsung 30-60 menit, dan memerlukan O2.

BAB 21 / METABOLISME OKSIGEN DAN TOKSISITAS OKSIGEN 329 Vitamin E Neuron dopaminergik yang terli- bat dalam penyakit Parkinsonp-karoten Perbaikan p a d a p e n d e r i t a s e p e r t i L e s Do- Vitamin C dan E paman t e r u t a m a rentan sekali terhadap p-karoten efek sitotoksik spesies oksigen reaktif. De- gradasi dopamin (neurotransmiter untuk n e u r o n i n i ) m e n g h a s i l k a n HJD^, y a n g d a - pat berubah bentuk menjadi radikal hidrok- sil oleh reaksi Fenton yang diperantarai oleh besi.Kompartementasi GSH Doksorubisin (adriamisin) yang diberikan u n t u k ArIyn Foma (li-Lapis ganda lemak Vitamin E + Vitamin C hat Bab 20) memiliki potensi me- pada semua p-karoten nimbulkan gangguan jantung akibat keru- membran sel glutation sakan oksidatif pada mitokondria sel mio- peroksidase kardium. Terbentuk radikal hidroksil yang toksik apabila obat ini berinteraksi dengan S O D t- rantai transpor elektron ditempat antara koenzim O dan oksigen. glutation peroksidase GSHGbr. 21.12. Ringkasan mekanisme pertahanan sel. Pertahanan sel terhadap spesies oksigen 21.1: Enzim tidak akan dapatreaktif terdiri dari reduksi enzimatik spesies oksigen reaktif, pengeluaran spesies oksigen reak- mencapai daya katalitik karenatif oleh vitamin antioksidan, perbaikan membran dan DNA yang rusak oleh enzim, dan kom- tidak memiliki cara untuk meng-partementasi—lokasi proses perbaikan di kompartemen subsel yang sama dengan tempat atasi restriksi spin. N A D ' menerima danspesies oksigen reaktif paling banyak terbentuk. Enzim superoksida dismutase dan glutation memindahkan satu pasangan elektron se-peroksidase terdapat sebagai isozim dalam kompartemen yang berbeda tersebut. Vitamin an- bagai ion hidrida. Elektron ini berasal daritioksidan, vitamin E , vitamin C, dan P-karoten, juga mengalami kompartementasi; vitamin E ikatan — C — H substrat dan memiliki 2dan P-karoten larut dalam lemak dan ditemukan di dalam membran, sedangkan vitamin C larut elektron dengan spin antiparalel. Karena 2dalam air dan terdapat di dalam sitosol. Dimodifikasi dari Bertini I , dkk. B i o i n o r g a n i c chemis- elektron pada memiliki spin paralel,try. Sausalito, CA: University Science Books, 1994;263. satu elektron dari N A D H atau O2 harus mengubah spinnya (restriksi spin). Akibat- PERTAHANAN S E L TERHADAP TOKSISITAS OKSIGEN nya, enzim yang mereduksi oksigen mi- salnya oksidase atau monooksigenase bi-Pertahanan sel terhadap toksisitas oksigen masuk dalam kategori enzim antioksidan asanya menggunakan FAD sebagai zatu n t u k m e n g e l u a r k a n s p e s i e s o k s i g e n r e a k t i f , v i t a m i n d a n scavenger ( p e n y a p u , p e n - antara untuk menerima elektron daricari) radikal bebas antioksidan, kompartementasi sel, dan perbaikan (Gbr. 21.12). En- NADH (atau NADPH) dan memindahkan-zim penyapu yang bersifat antioksidan mengeluarkan atau menyingkirkan superok- n y a s e b a g a i elektron tunggal k e O2 atau k esida dan hidrogen peroksida. Vitamin E , vitamin C, dan mungkin karotenoid, bia- s e b u a h l o g a m d a n k e m u d i a n k e O2. S e -sanya disebut sebagai vitamin antioksidan, dapat menghentikan reaksi berantai radi- bagian logam yang terlibat dalam reaksikal bebas. Mekanisme pertahanan kompartementasi mengacu kepada pemisahan spe- oksidasi-reduksi adalah Fe, Cu, danMo.sies dan tempat yang terlibat dalam pembentukan spesies oksigen reaktif dari bagiansel lainnya. Misalnya, besi, yang memacu pembentukan ion hidroksilsecara nonenzi- 21.2: Monooksigenase memer-matik, berikatan erat dengan protein tempat besi tersebut tersimpan, yaitu feritin, dan lukan sumber elektron dan bia-tidak dapat bereaksi dengan spesies oksigen reaktif Banyak dari enzim tersebut yang sanya menggunakan NADPHmenghasilkan hidrogen peroksida terdapat di dalam peroksisom dengan kandungan sebagai substrat. Reaksi mudah berlang-enzim antioksidan yang tinggi (lihat Bab 10). Mekanisme perbaikan untuk D N A , dan sung karena status reduksi NADP yanguntuk pengeluaran asam lemak yang teroksidasi dari lemak membran, juga dijumpai tinggi di dalam sel, yaitu, rasio NADPH/di dalam sel. Protein danasam amino yang teroksidasi diperbaiki melalui degradasi NADP^ tinggi. Rasio N A D H / N A D * di dalamprotein danresintesis protein baru. sel jauh lebih rendah karena NADH yang dihasilkan dari oksidasi bahan bakar de-Enzim Penyapu Antioksidan n g a n c e p a t m e m i n d a h k a n e l e k t r o n k e O2 di dalam rantai transpor elektron.Pertahanan enzimatik terhadap spesies oksigen reaktif meliputi superoksida dismu-tase, katalase, dan glutation peroksidase (lihat Gbr. 21.13).

330 BAGIAN IV / PEMBENTUKAN ATP DARI BAHAN BAKAR METABOLIK 21.3: Mengapa sel memerlukan superoksida Fe2- Fe3 konsentrasi superoksida dismu- dismutase OH* tase yang tinggi di dalam mito-kondria? 2GSHit ^NADP+ glutation Vglutation ^peroksidase A reduktase /katalase 2H2O + O2 ^ ' GSSG ^ V NADPH^ H^ 2H2O Xantin oksidase, suatu enzim Gbr. 21.13. Pertahanan enzimatik terhadap cedera radikal bebas. Aktivitas enzim penyapu an- yang mereduksi O2 menjadi H^O^ tioksidan tertinggi dijumpai di hati, kelenjar adrerfal, dan ginjal, di mana konsentrasi mitokon- di dalam sitosol, diperkirakan dria dan peroksisom tinggi, dan ditemukan enzim sitokrom P450 yang berlimpah-limpah.merupakan faktor utama dalam cedera HS - 000\" - Glisin GSH - - Sisteiniskemia/reperfusi terutama di sel mukosa I CH2usus. Pada jaringan yang tidak rusak, xan- HN Itin oksidase terdapat sebagai suatu dehi- 0 =0 Idrogenase yang dapat menggunakan CH2-CHNAD* (bukan O2) sebagai akseptor elek- HNtron di dalam jalur untuk degradasi purin I c==o{hipoxantin xantin asam urat (lihat IBab 41)}. Seiring dengan penurunan fosfo- CH2 - Glutamat CH2rilasi ADP menjadi ATP akibat tidak HCNH^adanya oksigen, terjadi degradasi ADP 000\" Jdan basa tersebut diubah.menjadi hipo-xantin. Dalam proses tersebut, xantin dehi-drogenase diubah menjadi suatu oksi-dase. Selama kadar berada di bawah enzim yang tinggi untuk O^, tidak terjadikerusakan yang berarti. Namun, apabilakadar kembali normal (sewaktu reper-fusi), enzim menghasilkan Hfi^ dan ditempat yang cedera. GSH HSG GSSG H2O2 2H2O Gbr. 21.14. O k s i d a s i g l u t a t i o n . G l u t a t i o n m e n g a n d u n g sebuah g u g u s s u l f h i d r i l , d i p e r l i h a t k a n d a l a m w a r n a abu-abu, y a n g d i o k s i d a s i m e n j a d i s u a t u s u l f i d a s e m e n t a r a H2O2 d i r e d u k s i m e n j a d i H2O. SUPEROKSIDA DISMUTASE Karbon tetraklorida, yang digu- Dismutasi anion superoksida menjadi hidrogen peroksida dan O2 oleh superoksida nakan sebagai pelarut dalam in- dismutase sering disebut sebagai pertahanan primer terhadap stres oksidatif karena dustri binatu kimia, diubah oleh superoksida adalah inisiator reaksi berantai yang kuat. Di dalam sitosol dan mitokon-sitokrom .P450 menjadi suatu radikal be- dria sel terdapat bermacam-macam isozim superoksida dismutase. Aktivitas superok-bas yang sangat reaktif yang dapat me- sida dismutase meningkat melalui mduksi enzim oleh zat kimia atau keadaan yangnimbulkan nekrosis sel hati. Zat ini \"lolos\" meningkatkan pembentukan superoksida.dari tempat aktif enzim. Karbon tetra- KATALASEklorida (CCIJ menerima sebuah elektrondan berdisosiasi menjadi CCIg\" dan Cl\". Hidrogen peroksida, setelah terbentuk, juga harus dikeluarkan untuk mencegah pem- bentukan radikal hidroksil. Rute utama untuk melaksanakan hal tersebut melibatkanCCI3*, yang tidak dapat melanjutkan diri da- dekomposisi hidrogen peroksida menjadi air oleh katalase dan glutation peroksidaselam urutan reaksi sitokrom P450, mence- (Gbr. 21.13). Katalase terutama ditemukan di dalam peroksisom, dan sedikit di dalamtuskan reaksi berantai pada lemak poiyi/n- firaksi sitosol dan mikrosom sel. Di dalam sel granulomatosa, katalase berfungsi untuksaturated retikulum endoplasma. Reaksi melindungi sel terhadap ledakan pemapasannya sendiri.ini menyebar ke membran plasma dan pro-tein sehingga akhirnya terjadi pembeng-kakan sel, penimbunan lemak, dan kema-tian sel.

BAB 21 / METABOLISME OKSIGEN DAN TOKSISITAS OKSIGEN 331GLUTATION REDUKTASE DAN GLUTATION PEROKSIDASE Tokoferol-a ^LOO*Glutation peroksidase adalah salah satu cara utama yang digunakan oleh tubuh untuk ^LOOHmelindungi diri dari kerusakan oksidatif (lihat Gbr. 21.13). Enzim ini mengkatahsisreduksi hidrogen peroksida dan peroksida lemak (LOOH) oleh glutation (y-glutamil-sisteinilglisin) (Gbr. 21.14). Gugus sulfhidril pada glutation (GSH) berfungsi sebagaidonor elektron, dan dioksidasi menjadi bentuk disulfida (GSSG) selama reaksi terse-but. Sel memiliki dua glutation peroksidase, salah satunya memerlukan selenium un-tuk aktivitasnya (sehingga selenium termasuk dalam kebutuhan makanan harian kita)dan bekerja terutama dengan hidroperoksida organik misahiya zat yang dihasilkan se-lama peroksidasi lemak di membran. Apabila disulfida telah terbentuk, disulfida harus direduksi kembali menjadi ben-tuk sulfhidril oleh glutation reduktase. Glutation reduktase memerlukan elektron dariNADPH, yang biasanya dihasilkan dari jalur pentosa fosfat (lihat Bab 28).Vitamin Antioksidan Radikal tokoferil <LOO*Vitamin E (tokoferol), antioksidan yang paling banyak di alam, adalah suatu zat pe-nyapu radikal bebas yang lipofilik. Vitamin ini terutama berfungsi sebagai pelindung ^LOOHterhadap peroksidasi lemak di dalam membran. Dari tiga vitamin yang memiliki ke-mampuan berfungsi sebagai antioksidan dan menghentikan reaksi berantai radikal be- Tokoferil kuinonbas (vitamin E , vitamin C, dan karotenoid), vitamin E adalah satu-satunya yang peran Gbr. 21.15. Vitamin E. Vitamin E menghenti-fisiologisnya semata-mata untuk menyingkirkan radikal bebas. kan peroksidasi lemak radikal bebas dengan memberikan elektron tunggal untuk memben- Vitamin E terdiri dari struktur tokoferol, dengan berbagai gugus metil melekat pa- tuk tokoferil kuinon yang stabil dan teroksidasidanya, dan sebuah rantai sisi fitil (Gbr. 21.15). Di antara struktur tersebut, tokoferol-a sempurna. Dari delman atau lebih tokoferoladalah antioksidan yang paling kuat. Vitamin E adalah penghenti reaksi penyebar ra- yang berbeda yang membentuk vitamin E, a-dikal bebas yang efisien di membran lemak karena bentuk radikal bebas distabilkan tokoferol (tampak di atas), adalah zat yang pa-oleh resonansi. Oleh karena itu, radikal vitamin E memiliki kecenderungan kecil un- ling sering ditemukan dalam makanan.tuk mengekstraksi sebuah atom hidrogen dari senyawa lain dan menyebarkan reaksi.Malahan, radikal vitamin E dapat berinteraksi secara langsung dengan radikal peroksilemak sehingga ia kehilangan atom hidrogen lainnya, dan menjadi tokoferil kuinonyang teroksidasi sempurna. Askorbat, berlainan dengan vitamin E , bersifat hidrofilik dan berfimgsi palingbaik dalam lingkungan air. Sebagai zat peny^u radikal bebas, vitamin ini ds^at se-cara langsung bereaksi dengan superoksida dan anion hidroksil, serta beibagai hidro-peroksida lemak (Gbr. 21.16). Namun, perannya sebagai antioksidan pemutus-reaksiberantai mungkin untuk melakukan regenerasi bentuk vitamin E tereduksi. Gejala de-fisiensi, misahiya sci/ny, berkaitan dengan perannya yang lain sebagai koenzimoksidasi-reduksi. Dihipotesiskan juga bahwa karotenoid dapat mencegah atau memperlambat per-kembangan kanker dan penyakit degeneratif dengan bekerja sebagai antioksidanpemutus-berantai. Karotenoid adalah sekelompok senyawa yang strukturnya berkait-an dengan ^karoten, prekursor vitamin A (Gbr. 21.17). Walaiq>im sebagian besar P-karoten diubah menjadi vitamin A di sel mukosa usus, karotenoid juga diserq) danberedar di dalam darah (terikat ke lipoprotein). Karotenoid dapat melindungi lemakdari peroksidasi dengan bereaksi dengan radikal hidroperoksil lemak. KOMENTAR KLINIS. Karena patogenesis parkinsonisme ^rimei^ belum H 21.3: Mitokondria mempakanw^^m ^^^t dipastian dan karena d^at multi&ktor, terapi masih bersih relatif tempat utama untuk pemt)entuk-mk^tm nonspesifik dengan kemanjuran jangka panjang yang terbatas. Untuk pen- an spesies oksigen reaktif, s e -derita sq)erti Les Dopanuui, pemeliharaan kesdiatan umum yang optimal dan efisi- perti superokskJa dari interaksi danensi neuromuskular melalui program latihan formal dan istirahat menq>akan bagian KoQ. Mitokondria juga memiliki kandung-penting dari rencana ter^i. Ten^i obat didasarkan pada kqiarahan penyakit Pada an superoksida dismutase dan glutationfase awal penyakit, digunakan suatu inhibitor monoamin oksidase p. Monoamin oksi- perokskiase yang tinggi, dan dengan de-dase adalah enzim mengandung tembaga yang menghasilkan HJ^h. dari degradasi ok- mikian mengut)ah superokskia menjadisidatif dopamin dan katekolamin lainnya, dan obat ini semula diberikan untuk Hfi^ dan kemudian menjadi H^O.

332 BAGIAN IV / PEMBENTUKAN ATP DARI BAHAN BAKAR METABOLIK Bayi prematur dengan kadar HO. Ho surfaktan paru yang rendah (li- L-Askorbat OH o +e\" hat Bab 33) memerlukan terapi Radikal askorbil OH \oksigen. Kadar oksigen harus dipantau se-cara cermat untuk mencegah retinopati Asam dehldroH.-askorbatdan kebutaan (retinopati pada prematuri-tas) dan untuk mencegah displasia bron- Gbr. 21.16. O k s i d a s i d a n r e d u k s i v i t a m i n C . L - A s k o r b a t ( a s a m a s k o r b a t ) adalah p e n y a p u r a d i -kus paru. Kecenderungan timbulnya pe-nyulit ini ditingkatkan oleh kemungkinan kal bebas yang efisien dalam lingkungan air. Vitamin ini menerima elektron tunggal dari su-kadar superoksida dismutase dan vitaminE yang rendah pada bayi prematur peroksida, hidrogen peroksida, hipoklorit, dan radikal hidroksil dan peroksil. Vitamin ini dapat bereaksi dengan NO2, salah satu p o l u t a n t o k s i k y a n g terdapat d a l a m gas buangan m o b i l dan asap rokok. Vitamin ini juga bereaksi dengan radikal vitamin E untuk memperbaharui vitamin E. OOL ^-karoten alt-trans Produk peroksl-lemak Vitamin E dijumpai dalam ma- Gbr. 21.17. K a r o t e n o i d m i s a l n y a P-karoten j u g a dapat b e r f u n g s i sebagai a n t i o k s i d a n p e m u t u s - kanan di dalam fraksi lemak be- reaksi berantai. Karotenoid adalah sekelompok senyawa yang dapat berfungsi sebagai prekur-0^ ^ berapa minyak nabati dan di sor vitamin A . Struktur senyawa ini berkaitan dengan struktur P-karoten. Karotenoid meng-hati, kuning telur, dan padi-padian. Vitamin hambat peroksidasi lemak terutama dengan bekerja sebagai antioksidan pemutus-reaksi beran-ini diserap bersama dengan lemak, dan tai; senyawa ini menerima sebuah elektron dari radikal peroksi lemak untuk membentuk zatdefisiensi simptomatik (bergejala) berkait- antara radikal bebas.an dengan malabsorpsi lemak. Vitamin Eberedar dalam darah dalam partikel lipo-protein. Defisiensi vitamin E menimbulkansindrom neurologis. Bukti epidemiologis mengisya- menghambat degradasi dopamin. Teori yang sekarang berlaku mengisyaratkan bah- ratkan bahwa individu yang ba- w a efektivitas obat tersebut juga berkaitan dengan penurunan pembentukan radikal nyak makan makanan yang me- bebas di dalam sel ganglion basal. Pada penderita ini, pemberian vitamin antioksidan,ngandung vitamin E, p-karoten, dan vita- misalnya p-karoten, vitamin C, dan vitamin E secara teoretis kemungkinan berman-min C memiliki risiko agak lebih rendah faat tetapi belum dibuktikan. Pada tahap lanjut penyakit ini, penderita diberi levodopaterkena kanker dan penyakit tertentu yang (L-dopa), suatu prekursor dopamin (lihat Bab 41).berkaitan dengan spesies oksigen reaktifdaripada individu dengan diet yang keku- Pada penderita seperti C o r a Nari, yang mengalami iskemia (keterbatasan aliranrangan vitamin-vitamin ini. Namun, dari darah dan, akibatnya, keterbatasan pasokan oksigen ke jaringan), pembentukan A T Ppenelitian pada populasi yang mendapat terganggu. Pada banyak kasus, kerusakan tampaknya menjadi lebih cepat sewaktu ok-nutrisi baik yang diberi suplemen vitamin- sigen pertama kali masuk kembali (reperfusi) ke dalam jaringan. Iskemia juga dapatvitamin antioksidan ini tidak dijumpai efek timbul selama pembedahan atau transplantasi jaringan. Sesuai peran radikal oksigenatau bahkan timbul efek merugikan di- dalam cedera iskemia-reperfusi,. telah dibuktikan b a h w a antioksidan melindungi j a-r-bandingkan dengan efek yang mengun- ingan iskemik terhadap cedera reperfusi.tungkan dari makan makanan yangmengandung beragam senyawa antioksi- Saat ini sedang dilakukan penelitian intensif mengenai gangguan iskemik terha-dan. dap berbagai model organ hewan dalam usaha untuk menemukan cara mencegah ce- dera reperfusi. Model tersebut meliputi metode yang dirancang untuk meningkatkan aktivitas antioksidan endogen, untuk mengurangi pembentukan radikal bebas, dan, akhimya, untuk menciptakan antioksidan eksogen yang, apabila diberikan sebelum reperfusi, dapat mencegah efek yang merugikan. Masing-masing pendekatan tersebut ada yang berhasil, tetapi penerapan klinisnyamasih memerlukan penyempurnaan le- bih lanjut. Seiring dengan meningkatnya jumlah prosedur invasif yang ditujukan un- tuk memulihkan aliran darah arteri melalui pembuluh koroner yang mengalami s u m b a t a n p a r s i a l , m i s a l n y a l i s i s b e k u a n , a n g i o p l a s t i b a l o n a t a u l a s e r , d a n coronary artery bypass grafting ( t a n d u r - a l i h p i n t a s a r t e r i k o r o n a r i a ) , p e n g e m b a n g a n m e t o d e untuk mencegah cedera iskemia-reperflisi akan semakin dibutuhkan.

BAB 21 / METABOLISME OKSIGEN DAN TOKSISITAS OKSIGEN 333• K O M E N T A R B I O K I M I A . Enzim sitokrom P450 adalah salah satu kelom- Superfamili sitokrom P450 me- pok enzim utama yang mengoksidasi bahan xenobiotik misalnya obat dan zat kimia alami. Terdapat sekitar 100isozim P450 yang berbeda dengan miliki paling sedikit 27famili gen yang berbeda, di mana palingderajat spesifisitas yang berlainan untuk substrat yang berbeda. Tidak diketahui sedikit 10famili gen terdapat pada ma-apakah perkembangan evolusioner begitu banyak isozim P450 berkaitan dengan ke- malia. Di dalam kesepuluh famili gen inibutuhan untuk mengoksidasi senyawa fisiologis, kebutuhan untuk membuang zat terdapat lebih dari 100 isozim sitokrom P450 yang berlainan. Masing-masingkimia xenobiotik dalam tumbuhan danlingkungan, atau keduanya. isozim memiliki klasifikasi tersendiri sesuaiEnzim P450 dapat diinduksi oleh substrat spesifiknya dan oleh substrat dari be- hubungan strukturnya dengan isozim lain.berapa enzim sitokromP450 lainnya. Misalnya, fenobarbital, suatu barbiturat yang te- Misalnya, aktivitas sistem pengoksidasi-lah lama digunakan sebagai obat tidur atau untuk mengobati epilepsi, diubah menjadi metanol pada mikrosom (microsomalmetabolit inaktif oleh sitokrom P450 monooksigenase P450 2B1 dan 2B2. Setelah ethanol-oxidizing system, M B O S ) y a n g d i -pengobatan dengan fenobarbital, P450 2 B 2 meningkat 50-100 kali lipat, tetapi se- bahas di Bab 18, terutama terdiri dari P450bagian P450 lain dari subfamili yang sama, dari subfamili yang berbeda, dan bahkan 2E1. Angka \"2\" mengacu kepada familidari famili genyang berlainan meningkat 2-4 kali lipat. Induksi 2B1 dan2B2 terjadi gen, yang terdiri dari isozim dengan identi- tas urutan asam amino lebih dari 40%. Hu-melalui pengikatan fenobarbital atau senyawa lain kereseptor intrasel ( P B R ) dan peng- ruf \"E\" mengacu kepada subfamili, penge-i k a t a n r e s e p t o r a k t i f k e e l e m e n r e s p o n s f e n o b a r b i t a l (phenobarbital response element, lompokan isozim dengan identitas urutanP B R E ) di gen sasaran. Pengobatan dengan fenobarbital juga menyebabkan proliferasi lebih dari 55-60%, danangka \"1\" mengacuu m u m dari retikulum endoplasma mikrosom, dan stabilisasi u m u m dari protein m i - kepada masing-masing enzim dalam sub-krosom. famili ini.Enzim P450 yang berperan dalam steroidogenesis cukup berbeda dari enzimmikrosom. Protein P450 terbenam didalam membran mitokondria. Sistem pemberi-elektron terdiri dari protein pengoksidasi-NADPH yang larut danprotein yang me-ngandung Fe-S yang dapat memindah-mindahkan elektron antara sistem pemberi-elektron dan enzim P450. Protein Fe-S pemah diberi nama adrenodoksin karena kon-sentrasinya tinggi dikorteks adrenal. Spesifisitas dalam aktivitas ka- talitik dan induksi/represi trans-D i dalam sel, pembentukan spesies oksigen reaktif secara kebetulan oleh enzim si- kripsi g e n yang bertumpang- tindih merupakan penyebab adanya ber-tokrom P450 dikurangi oleh duamekanisme protektif pengikatan substrat berurutan bagai jenis interaksi obat. Misalnya, indi-s e b e l u m b e r i k a t a n d e n g a n O2, d a n i n d u k s i / r e p r e s i s i n t e s i s P 4 5 0 . P e n g i k a t a n b e r u r u t a n vidu yang mendapat fenobarbital untuk jangka panjang mengalami toleransi obatdi banyak enzim P450 mencegah pembentukan zat antara oksigen yang sangat reaktif akibat induksi pembentukan P450 2B2 dan obat tersebut dimetabolis menjadi me-sampai substrat berada ditempat aktif Induksi dan represi sintesis enzim P45O seba- tabolit inaktif secara lebih cepat. Akibat- nya, individu ini menggunakan dosisgai respons terhadap peningkatan substrat juga bersifat protektif; halini mencegah fenobarbital yang semakin lama semakin besar. Etanol, yang merupakan substratpenimbunan protein yang mengandung besi yang tidak perlu di dalam sel yang dapat bagi P450 MEOS, adalah inhibitor bagi sistem P450 yang mengoksidasi fenobar-menghasilkan radikal bebas oksigen. bital. Apabila seseorang mengkonsumsi etanol dalam jumlah besar, inaktivasi feno-Bacaan Anjuran barbital akan terhambat secara langsung atau tidak langsung. Oleh karena itu, apa-Forster R E , Estabrook RW. Is oxygen an essential nutrient? Annu Rev Nutr 1993;13:383-403. bila seseorang mengkonsumsi fenobarbi-Guengerich FP. Reactions and significance of cytochrome P450 enzymes. J Biol Chem 1993;266:10019-10022. tal dan etanol dalam jumlah besar ber-Gutteridge JMC, Halliwell B. Antioxidants in nutrition, health and disease. Oxford: Oxford University Press, 1994 samaan dapat terjadi penimbunan barbitu-Herber V. The antioxidant supplement myth. Am J Clin Nutr 1994;60:157-158. rat dalam darah dengan kadar toksik.Role of iron and antioxidant stress in the normal and parkinsonian brain. Ann Neurol 1992:32:S1-S145.Shigenaga MK, Hagen TM, Ames B N . Oxidative damage and mitochondrial decay in aging. Proc Natl Acad Sci U S A1994;92:10771-10778.Waxman DJ, Azaroff L . Phenobarbital induction of cytochrome P-450 gene expression. Biochem J 1992;281:23-38.Yu BP. Cellular defenses against damage from reactive oxygen species. Physiol Rev 1994;74:139-162.SOAL1. Mengapa vitamin E disebut sebagai suatu antioksidan?2. Apa manfaat pemberian obat terapeutik atau turunan steroid yang merupakanpenyapu radikal bebas segera setelah terjadinya cedera pada jaringan, seperti yang ter-jadi pada kecelakaan mobil?

334 BAGIAN IV / PEMBENTUKAN ATP DARI BAHAN BAKAR METABOLIK 3. Tingkat kerusakan oksidatif pada DNA mitokondria paling sedikit 10 kali lipat lebih tinggi daripada DNA inti, dan meningkat seiring dengan pertambahan usia. Apa ^ penyebab perbedaan tingkat kerusakan oksidatif yang berbeda pada DNA mitokon- dria dibandingkan dengan DNA inti? JAWABAN 1. Sewaktu berfungsi sebagai \"penyapu radikal bebas,\" vitamin E tidak menghenti- kan reaksi berantai dengan \"menyerap\" elektron tunggal. Namun, vitamin E mem- berikan elektron tunggal (H') ke radikal bebas, yang dengan demikian tereduksi menjadi bentuk stabil (misal, LOO\" diubah menjadi LOOH), Radikal vitamin kemu- dian kehilangan elektron tunggal laiimya (H') sehingga teroksidasi sempuma. Dengan demikian, vitamin E teroksidasi oleh reaksi tersebut, radikal bebas di dalam sel tere- duksi, dan penyebamn kerusakan oksidatif dapat dicegah. 2. Cederajaringan, terutama yang mengenai otak dan korda spinalis, merusak struk- tur kompartemental dan sel yang menyusun enzim pertahanan dekat tempat pemben- tukan spesies oksigen reaktif. Terjadi pembebasan besi dan protein yang mengandung besi ke tempat cedera sehingga terjadi peningkatan pembentukan spesies oksigen reaktifmelalui reaksi Fenton. Makrofag yang datang sebagai respons terhadap cedera, juga menghasilkan spesies oksigen reaktif tambahan sebagai bagian dari respons peradangan. 3. Terdapat tingkat pembentukan radikal bebas yang tinggi dari rantai transpor elek- tron mitokondria di KoQ. DNA mitokondria terletak dekat dengan membran mito- kondria bagian dalam tenq)at rantai transpor elektron berada. DNA mitokondria tidak memiliki histon yang protektif, dan di dalam mitokondria hanya terdapat sedikit en- zun mituk memperbaiki DNA. Akibat yang timbul juga disebut sebagai penuaan mi- tokondria.