Konsep Radikal Bebas, Antioksidan, & Stres Oksidatif (PDF)

Konsep Radikal Bebas, Antioksidan & Stres Oksidatif dr. Kenny Cantika Abadi, M.Biomed Bagian Biokimia & BiologiM o l e ku l e r Fakultas Kedokteran UNTIRTA Outline RADIKAL BEBAS PERTAHANAN STRES OKSIDATIF PENYAKIT TERKAIT BIOMARKER STRES...

Konsep Radikal Bebas, Antioksidan & Stres Oksidatif dr. Kenny Cantika Abadi, M.Biomed Bagian Biokimia & BiologiM o l e ku l e r Fakultas Kedokteran UNTIRTA Outline RADIKAL BEBAS PERTAHANAN STRES OKSIDATIF PENYAKIT TERKAIT BIOMARKER STRES SELULER TERHADAP STRES OKSIDATIF OKSIDATIF RADIKAL BEBAS. Radikal Bebas Molekul yang memiliki satuatau lebih elektron yang tidak berpasangan https://thecentreofhealth.com.au/ Elektron yang tidak berpasangan membentuk molekul radikal bebas yang reaktif dan sangat tidak stabil Reduksi Oksigen → Radikal Bebas Marks' Basic Medical Biochemistry, 4th edition. 2013  Karakteristik Radikal Bebas 1. Sangat reaktif 2. Waktu paruh sangat pendek 3. Membentuk radikal baru melalui reaksi berantai 4. Merusak biomolekul, sel danjaringan Kebanyakan radikal bebas : derivat oksigen (Reactive Oxygen Species/ROS), Derivat nitrogen (Reactive Nitrogen Species/RNS), metabolit reaktif atau intermediet Marks' Basic Medical Biochemistry, 4th edition. 2013 Reactive OxygenSpecies (ROS) ROS  Source of Oxidants Cigarette Smoke: Superoxide and Nitric Oxide Ozone Exposure: Can cause lipid peroxidation Hyperoxia: Higher oxygen level leads to greater production of reactive oxygen and nitrogen species Ionizing Radiation Heavy Metal Ions:  Pembentukan ROS ❑ Metabolisme seluler. Pada proses fosforilasi oksidatif 1 – 4% oksigen diubah menjadi radikal bebas : Kebocoran rantai transpor elektron dalam mitokondria ❑Beberapa enzim (oxidase, oksigenase & peroksidase) membentuk radikal anion superoxide atau hydrogen peroxide) ❑Pada proses fagositosis dan inflamasi (NAPDH oksidase & mieloperoksidase) Marks' Basic Medical Biochemistry, 4th edition. 2013 Marks' Basic Medical Biochemistry, 4th edition. 2013  Pembentukan ROS ❑ Pengaruh lingkungan - metabolisme obat - kerusakan oleh sinar UV/sinar-X - rokok, alkohol - polusi Marks' Basic Medical Biochemistry, 4th edition. 2013 https://www.pinterest.com/pin/432345632968345725/  Reaksi Radikal Oksigen dengan Kompenen Seluler Kerusakan biomolekul 1. Protein oksidasi gugus sulfhydryl, dan modifikasi asam amino. ROS merusak protein melalui fragmentasi, agregasi sehingga protein kehilangan aktivitas biologisnya. Oksidasi pada residu tirosin→ pembentukan dihydroksifenilalanin → pembentukan radikal oksigen lebih lanjut melalui reaksi non enzimatik 2. Lipid Molekul lipid polyunsaturated pada membran sel sangat rentan untuk mengalami kerusakan akibat reaksi rantai radikal bebas (peroksidasi lipid).  Peroksidasi Lipid Marks' Basic Medical Biochemistry, 4th edition. 2013 Peroksidasi lipid merupakan degradasi oksidatif pada lipid. Radikal bebas “mencuri” elektron dari lipid (terutama polyunsaturated fatty acids/PUFA) dalam membran sel → kerusakan sel Proses ini terjadi melalui mekanisme reaksi berantai radikal bebas. Kemungkinan dapat menyebabkan mutagenik dan karsinogenik. Harper’s Illustrated Biochemistry, 30th edition.2015  Efek Radikal Bebas A. Radikal Bebas dan biomolekul 3. Karbohidrat Glikasi meningkatkan kemungkinan protein untuk diserang oleh radikal bebas 4. Asam Nukleat menyebabkan pemutusan untai DNA, fragmentasi basa dan deoksiribosa sehingga menjadi sitotoksik dan mutasi Marks' Basic Medical Biochemistry,4th edition. 2013 Marks' Basic Medical Biochemistry, 4th edition. 2013  NitritOxide (NO) & Reactive Nitrogen Oxygen Species (RNOS) NO mengandung radikal bebas berupa gas yang berdifusi melalui membran lipid --> sel Pada konsentrasi rendah --> fungsi fisiologis sebagai neurotransmiter dan hormon --> vasodilatasi Pada konsentrasi tinggi --> bergabung dengan oksigen/siperoxide --> RNOS --> toksik Marks' Basic Medical Biochemistry, 4th edition. 2013 Pembentukan RNOS Marks' Basic Medical Biochemistry, 4th edition. 2013 Pertahanan Seluler terhadap Radikal Bebas Marks' Basic Medical Biochemistry, 4th edition. 2013 ROS Pathway https://doi.org/10.1016/j.marenvres.2013.07.006 Skematik regulasi Nrf2-Keap1 Peran Antioksidan  Antioksidan Substansi yang ada dalam konsentrasi rendah relatif terhadap subrat teroksidasi yang secara signifikan memperlambat atau mengurangi oksidasi subrat. Antioksidan mengurangi efek bahaya oksidan dengan cara berikatan dengan oksidan tsb sehingga kekuatan destruktif oksidan menjadi turun Antioksidan juga membantu memperbaiki kerusakan yang ada pada sel. Berperan sebagai pemakan radikalbebas  https://tophealthfix.com/ Selama reaksi tersebut, antioksidan mengorbankan dirinya menjadi teroksidasi.  https://science.howstuffworks.com/ Antioksidan Mencegah pemindahan elektron dari O 2 ke molekul organik Menstabilkan radikal bebas Mengakhiri reaksi radikal bebas  Klasifikasi antioksidan Ⅰ. Berdasarkan lokasi a) Antioksidan Plasma: asam askorbat (Vitamin C), bilirubin, asam urat, transferrin, seruloplasmin, β-karotene; b) Antioksidan membran sel: α-tocopherol (Vitamin E) c) Antioksidan intraselluler: superoxide dismutase (SOD), catalase, glutathione peroxidase (GPx)  Klasifikasi antioksidan Ⅱ. berdasarkan sifat alami dan kerjanya a) Antioksidan Enzimatik: SOD, catalase, GPx, glutathione reductase b) Antioksidan Non-enzimatik: 1. antioksidan Nutrient: β-karotene, α-tocopherol, asam askorbat, 2. antioksidan Metabolik: bilirubin, asam urat, seruloplasmin, ferritin, transferrin, albumin, glutathione  Antioksidan Enzimatik 1. superoxide dismutase (SOD) 2O2·⁻+ 2H+ SOD H2O2 + O2 SOD merupakan metalloenzim dengan gugus prosthetik yang bervariasi dan terdapat dalam setiap sel. SOD memiliki 3bentuk: a) Cu-Zn SOD: pada sitoplasma b) Mn-SOD: pada mitokondria c) Cu-SOD: ekstraseluler SOD merupakan pertahanan lini pertama yang melindungi sel dari kerusakan oleh superoksida  Antioksidan Enzimatik 2. catalase, CAT 2H2O2 catalase2H2O + O 2 Catalase, enzim yang membutuhkan Fe, terdapat pada semua organ khususnya terkonsentrasi pada hati dan eritrosit. Otak, jantung dan otot rangka hanya mengandung sedikit catalase.  Antioksidan Enzimatik 3. glutathione peroxidase, GPx Marks' Basic Medical Biochemistry, 4th edition. 2013 GPx adalah enzim yang membutuhkan selenium.  Antioksidan Non Enzimatik 1. α-tocopherol (vitamin E) Antioksidan larut lemak yang sangat penting Terdapat pada semua membranseluler Perlindungan terhadap peroksidasi lipid. Vitamin E mencegah peroksidasi membran fosfolipid dan mencegah kerusakan membran sel Marks' Basic Medical Biochemistry, 4th edition. 2013  Antioksidan Non Enzimatik 2. asam askorbat (vitamin C) + 2O2·⁻ + 2H+ H2O2 + Dehydroascorbate, DHA Antioksidan yang larut air, terdapat pada buah jeruk, kentang, tomat, dan sayuran hijau Vitamin C sebagai chain breaking antioxidant, agen pereduksi atau donor elektron. Vit C juga menghambat peroksidasi lipid dan mempromosikan pembentukan α-tocopherol. Vitamin C juga dapat menghasilkan radikal bebas (Pro oksidan) ketika bereaksi dengan oksigen  radikal superoksida Ketika bereaksi dengan ion Cu2+  radikal hydroxyl Harper’s Illustrated Biochemistry, 30th edition.2015  Antioksidan Non Enzimatik 3. karotenoid Karotenoids terdiri atas rantai C40 dengan ikatan rangkap, dapat menyerap cahaya sangat kuat dan berwarna terang (merah, oranye). Selain itu, berperan sebagai pigmen pada bakteri, algae dan tumbuhan tingkat tinggi lainnya β-carotene merupakan antioksidan yang paling penting ▪ terdiri atas 2 molekulel vitamin A (retinol) yang saling berhubungan. ▪ β-carotene yang dikonsumsi diubah menjadi retinol pada mukosa usus halus. ▪ dapat meredam singletoxygen. ▪ Lycopene berperan dalam menimbulkan warna pada buah- buahan dan sayuran tertentu sepertitomat. ▪ Juga berfungsi sebagai antioksidan  Antioksidan Non Enzimatik α-lipoic acids ❖Senyawa seperti vitamin, yang diproduksi dalam tubuh, di samping diperoleh dari sumber nabati dan hewani ❖ Berperan penting dalam daur ulang antioksidan penting lainnya seperti asam askorbat, α-tocopherol dan glutathione.  Beberapa antioksidan nutrient yanglainnya Antioksidan Sumber 1.Coenzyme Q10 daging sapi, jantung, ayam 2. Selenium makanan laut, daging, gandum 3. Proanthocyanidins biji anggur 4. Catechins teh hijau 5. Quercetin bawang, anggur merah, tehhijau 6. Ellagic acid buah berri, buah kenari, buahdelima  Antioksidan Metabolik 1. glutathione, GSH ❑ berperan sebagai substrat dalam siklus GSH redox ❑berperan sebagai scavenger radikal hidroksil dan singlet oxygen. ❑berperan penting dalam metabolisme xenobiotik  Antioksidan Metabolik 1. Asam urat: eliminasi singlet oxygen dan radikal hidroksil 2. Seruloplasmin: menghambat peroksidasi lipid yang tergantung besi dan tembaga 3. Transferin: mencegah pembentukan radikal yangdikatalisis oleh besi 4. Albumin: eliminasi radikal yang ada di permukaannya 5. Bilirubin: melindungi asam lemak bebas yang terikat albumin dari proses peroksidasi 6. Haptoglobin: mengikat Hb bebas dan mencegah percepatan peroksidasi lipid Perlindungan antioksidan pada paru-paru darikerusakan oksidatif akibat ozon Marks' Basic Medical Biochemistry, 4th edition. 2013 Secara normal, homeostasis seluler merupakan keseimbangan antara produksi radikal bebas dan pertahanan antioksidan http://bionov.fr/en/sod-b/primary-antioxidants/ Jika produksi radikal bebas melebihi pertahanan seluler enzim antioksidan --> stres oksidatif (kerusakan oksidatif) --> penyakit Penyakit akibat Stres Oksidatif Penyakit akibat Stres Oksidatif Biomarker StresOksidatif Definisi biomarker (WHO): suatusubstansi, struktur, atau proses yang dapat diukur dalam tubuh  mempengaruhi/memprediksi insiden suatu penyakit Untuk dapat digunakan dalam aplikasi klinis, biomarker harus memenuhisyarat sebagai berikut Spesifik untuk penyakit tertentu (diagnostik) Mempunyai nilai prognostik Berkorelasi dengan aktivitas penyakit Stabil Terdapat dalam jaringan  mudah diakses Cost effective  Biomarker Stres Oksidatif Carbonyl Oksidasi protein Deaminsai oksidatif dari lisin dan asam glutamate Pengikatan produk oksidasi lipid aldehydic dengan residu lisin, sistein dan histidine  reaksi addisi Michael Deteksi Carbonyl Dengan spectrophotometer reaksi dengan 2-4 dinitrophenylhydrazine (DNP). Menggunakan spesifik anti-DNP antibody dengan ELISA, Western blot, immunohisto- dan sitokimia, atau dengan high-performance liquid chromatography (HPLC).  Biomarker Stres Oksidatif Lipid Peroksidasi Poly Unsaturated Fatty Acids (PUFAs) khususnya asam linoleic dan arachidonate merupakan target penting peroksidasi lipid HNE: 4-hydroxy-2- nonenal MDA: malondialdehyde Deteksi: Thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) assay HPLC HNE-His ELISA  Biomarker Stres Oksidatif F2-isoprostanes (F2-IsoPs) Oksidasi asam amino membentuk suatu 64 bicyclic endoperoxide dan stereoisomers yang disebut H2-isoprostanes. Reaksi nonenzimatik H2-isoprostanes membentuk F2-IsoPs yang stabil dan c-ketoaldehydes yang sangat reaktif yang disebut isolevuglandins (IsoLGs/ isoketals) F2-IsoPs dianggap sebagai marker yang paling dapat diandalkan untuk memonitor stress oksidatif invivo Peningkatan F2-IsoPs ditemukan pada penyakit kardiovaskuler Deteksi dengan menggunakan gas chromatography–mass spectrometry (GCMS) dan LC-MS/MS, Biomarker Stres Okidatif Oksidasi DNA 8-hydroxy-2-deoxyguanosine (8OHdG) : indeks kerusakan DNA yangteroksidasi Berhubungan dengan peningkatan insiden kanker Dapat dideteksi dengan menggunakan HPLC, GC-MS, LC-MS, dan Teknik berbasis antibodi 8OHdG dalam urin menggambarkan kerusakan DNA dari seluruh tubuh dapat dideteksi dengan HPLC dan MS  Daftar Pustaka Marks' Basic Medical Biochemistry, 4th edition. 2013 Harper’s Ilustrated Biochemistry, 30th edition.2015 Frijhoff J, Winyard PG, Zarkovic N, Davies SS, Stocker R, Cheng D, et al. Clinical Relevance of Biomarkers of Oxidative Stress. ANTIOXIDANTS & REDOX SIGNALING. 2015;23(14) Marocco I, Altieri F, Peluso I. Measurement and Clinical Significance of Biomarkers of Oxidative Stress in Humans. Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2017 NaitoY, il Lee MC, KatoY, Nagai R,YoneiY. Oxidative Stress Markers. JAAM. 2010. 7(5):36-44 Birben E, Sahiner UM, Sackesen C, Erzurum S, Kalayci O. Oxidative stress and antioxidant defense. World Allergy Organ J. 2012;5(1):9-19. doi:10.1097/WOX.0b013e3182439613 Martindale JL, Holbrook NJ. Cellular response to oxidative stress: signaling for suicide and survival. J Cell Physiol. 2002 Jul;192(1):1-15. doi: 10.1002/jcp.10119. PMID: 12115731. Regoli, F., & Giuliani, M. E. (2014). Oxidative pathways of chemical toxicity and oxidative stress biomarkers in marine organisms. Marine Environmental Research, 93, 106-117. doi:10.1016/j.marenvres.2013.07.006 Liguori I, Russo G, Curcio F, Bulli G, Aran L, Della-Morte D, Gargiulo G, Testa G, Cacciatore F, Bonaduce D, Abete P. Oxidative stress, aging, and diseases. Clinical interventions in aging. 2018;13:757. Pizzino G, Irrera N, Cucinotta M, Pallio G, Mannino F, Arcoraci V, Squadrito F, Altavilla D, Bitto A. Oxidative stress: harms and benefits for human health. Oxidative medicine and cellular longevity. 2017 Oct;2017. Terima Kasih SEMOGA MENJADI ILMU YANG BERMANFAAT ☺