Free Radical And Anti Oxidant

FREE RADICAL AND ANTI-OXIDANT

A.H. Wisda Kusuma dan Reagan Resadita

Medical Student

Universitas Gadjah Mada

Skills Lab Assistant and Biochemistry Lab Assistant 

Bismillah arrahman arrahim.

Yak, ini kuliah yg penuh dengan imajinasi ya, semoga kuliah yg sedikit berbau biokimia dan biomolekuler ini bisa kita pahami dengan mudah. Orientasi nya kita slide aja ya, biar memudahkan belajar ujian blok J

Radikal bebas dan oksidan sudah terbukti terlibat dalam berbagai macam penyakit termasuk CVD, Stroke, Diabetes, kanker, dan lain lain. Maka dari itu mempelajari radikal bebas sebagai konsep dasar penyakit dirasa cukup penting (RR)

I.                   FREE RADICAL (FR) / Radikal Bebas

Sebelumnya kita review dulu pelajaran kimia dasar di SMA ya. Kita tahu komponen2 dari sebuah atom adalah neutron dan proton (yg terletak di inti) dan electron yang bergerak mengelilinginya, sesuai dengan teori kuantum itu lo (bil. Kuantum: n,l,m,s, sistem s,p,d,f itu). Di dunia ini, segala sesuatunya disususn berdasarkan asas kestabilan, sudah menjadi hukum alam kalau sesuatu yg tidak berpasangan itu akan tidak stabil. (contohnya kita : kalau kita belum nikah, pasti kita akan tidak stabil dgn cara cari2 pacar sampai ketemu kan, dan kita akan stabil kalau kita sudah menikah). Nah, atom tersebut dikatakan stabil jika electron yg bergerak di luar intinya berikatan / berpasangan dengan  elektron lain (bisa membentuk suat molekul unsur (dgn atom sejenis) maupun molekul senyawa (dgn atom beda jenis) lain. Bentuk ketidakstabilan ini salah satu nya adalah bentuk ion (itulah mengapa ion cenderung membentuk kestabilan dengan berikatan dengan pasangannya, baik anion maupun kation) tetapi bisa juga bentuk ketidakstabilan itu berupa senyawa maupun unsur yg ketambahan satu elektron yang reaktif.

Jadi bisa kita simpulkan, definisi dari radikal bebas adalah :

Partikel dengan elektron yang tidak berpasangan yang reaktif terhadap molekul sekitarnya (bisa berupa ion, atom, maupun unsur).

Untuk mencapai kestabilannnya, radikal bebas ini akan berusaha ”mencuri” / menarik elektron dari molekul lain (biasanya biomolekul yg bukan radikal bebas terutama PUFA *polyunsaturated fatty acid*). Dalam istilah kimia, notasi radikal bebas biasanya dinotasikan dgn titik di atas kanan-nya (misal Na^o , R^o). Tapi jgn khawatir, di molekul2 biologis jumlah radikal bebas jauh lebih sedikit dibanding yang non-radikal.

Dalam melakukan tugasnya sebagai molekul yang reaktif, radikal bebas ini akan mengalami 3 fase : (udah pernah kita pelajari di praktikum biokim th. kedua ya)

• Initiation             : proses awal munculnya radikal bebas, memecah ikatan kovalen ( proses inisiasi ini bisa terjadi akibat dari toxikasi logam, senyawa ROS dan NOS, Karsinogen, ultraviolet, dan panas)
• propagation       : proses perpanjangan rantai (proses ini terjadi akibat struktur radikal yang telah merusak suatu biomolekul, menularkan ke biomolekul lain semakin banyak merusak)
• termination       : proses musnahnya radikal bebas ( proses tahap ini bisa terjadi apabila radikal bebas bertemu dengan radikal bebas lainya atau anti oksidan)

II.               REACTIVE OXYGEN SPECIES (ROS) dan REACTIVE NITROGEN SPECIES (RNS)

Definisi ROS: molekul dengan salah satu komponennya yang berupa oksigen yang reaktif terhadap lingkungan sekitar (belum tentu merupakan radikal bebas), contohnya :

Yg free radicals

• superoxide, O₂ ^·
• hydroxyl radical, OH ^·
• peroxyl, ROO ·
• alkoxyl, RO ^·
• hydroperoxyl, HO₂

Yg bukan free radicals (senyawa oksidan)

• hydrogen peroxide, H₂O₂ (terbentuk pada Fenton´s reaction)
• hypochlorous acid, HClO
• ozone, O₃
• singlet oxygen, ¹O₂

Walaupun beberapa ROS tidak radikal, tapi kadang beberapa senyawa memicu terjadinya radikal bebas (misal H₂O₂) senyawa seperti ini yang biasa kita sebut Oksidan.

Definisi RNS: molekul dengan salah satu komponennya yang berupa nitrogen yang reaktif terhadap lingkungan sekitar (belum tentu merupakan radikal bebas), contohnya :

Yg free radicals

• nitrogen(II) oxide, NO ^.
• nitrogen(IV) oxide, NO₂ ^.

Yg bukan free radicals

• nitrosyl, NO⁺
• nitrous acid, HONO
• nitogen(III) oxide, N₂O₃
• peroxynitrite, ONOO ^– (berasal dari Nitric Oxide / vasodilator)
• alkylperoxinitrite, ROONO

III.            OXIDATIVE STRESS

Adalah suatu hasil ketidaksembangan antara produksi dan eliminasi dari RONS (Reactive Oxygen /Nitrogen Species). FYI, radikal bebas itu selalu terbentuk pada tubuh manusia, lo. Nah, tergantung apakah anti-oxidant nya bisa meng-kompensasi apa nggak. Pada tingkat DNA, hal ini bisa menyebabkan berbagai  hal seperti :

Damage

n  Pembelahan cincin sakarida

n  Modifikasi pada basa nitrogen (membentuk M1G dan M1A)

n  Pemutusan rantai (DNA)

Sequelle

n  mutasi DNA -> kanker

n  kesalahan proses translasi DNA

n  Inhibisi fotosintesis (pada tumbuhan)

Intinya, sumber stress oksidatif itu (yg berujung pada kerusakan DNA) tentunya adalah free radical (yang biasanya memiliki unsur oksigen nya), dan FR bisa terbentuk dari banyak sumber (bisa dilihat di gambar ya), ada sumber eksogen maupun endogen tubuh:

• eksogen               : sinar UV, paparan asap pabrik / kendaraan, rokok, radiasi radioaktif, dsb
• endogen              : proses inflamasi, oksidasi senyawa yang memiliki afinitas terhadap O2 yg tinggi (misal: fatty acid), hasil metabolisme aerob di mitokondria, dsb

Oksidan2 dalam sel bisa terbentuk dari :

• Normal aerobic metabolism, Sekitar 90% dari oksigen yg digunakan sel akan dikonsumsi oleh mitochondrial electron transport  system ( dan memiliki senyawa sampingan seperti Hidrogen peroksida).
• Oxidative burst dari fagositosis (white blood cells) yang merupakan proses dari bakteri dan virus yang terbunuh atau antigen / corpus alienum yg di-denaturasi.
• Xenobiotic metabolism, detoksifikasi dari racun/senyawa asing such as Alcohol

Tetapi dari sumber2 itu, ada 4 sumber utama radikal bebas :

1)      respiratory chain mitochondria : terutama superoxide, baru kemudian H₂O₂

Sekitar 1- 4% O₂ masuk ke dlm rantai respirasi (terutama kompleks I & III)

2)      Reticulum Endoplasma : pembentukan superoxide oleh cytochrome P- 450

3)      special cells (leukocytes), pembentukan superoxide oleh NADP-oxidase

4)      Hb to met-Hb oxidation, erytrocyte seolah “penuh“ dgn antioxidants

Di tubuh kita, radikal2 bebas (yg kebanyakan berupa enzim) juga ternyata punya fungsi / peranan dalam proses homeostasis tubuh kita  :

1)      Used by oxides a oxygenes : cytochromoxidase - toxic intermediates, H₂O₂ dan superoxide, yg berikatan dgn enzyme)

2)      monoxygenases - Mengaktivasi O₂ in RE Liver atau pada mitokondria glandula adrenal; juga pada proses hydroxylation

3)      ROS a RNS against bacteria : enzyme complex  NADPH-oxidase of leukocytes ( fungsi dari ROS pada leukosit ini adalah untuk merusak DNA bakteri sehingga bakteri yang di fagosit akan mati dan lisis)

4)      myeloperoxidase – megnkatalisis reaksi berikut : H₂O₂ + Cl^- + H⁺ = HClO + H₂O

5)      Signal molecules ( kalo gak salah kayak NO untuk vasodlator endotel gitu )
first messenger  Þ second messenger Þ information net. Informasi (Info net) diperngaruhi oleh redox state dari sel

6)      Redox state : antioxidant capacity, reduction equivalent availlability, RONS rate Þ ROS:  second  messenger

IV.             ANTIOXIDANTS

Untuk mengatasi proses dari oksidasi, tentu ada “lawannya” yaitu si anti-oksidan.

Ada 3 tingkatan anti oksidan :

• inhibition  produksi RONS yg berlebih (ex : albumin, ceruloplasmin, transferin, ect)
• capture of radicals atau biasa disebut scavengers, trappers, quenchers (ex : Vitamin E, vitamin C, betacaroten, GSH, NADPH dan NAD)
• correction dari mekanisme biomolekul yg terdestruksi ( ex: DNA Repair Enzyme)

Ada 2 sumber anti oksidan :

1)      Endogenous antioxidants

a)      enzymes (Cytochrome C, SOD, GSHPx, Catalase)

b)      nonenzymatic

i)        fixed in membranes (a -tocopherol, b-caroten, coenzym Q₁₀)

ii)       out of membranes (ascorbate, transferrin, bilirubin)

2)      Exogennous antioxidants (fungsinya utk membantu endogenous antioxidants)

a)      FR scavengers / penangkap FR

b)      Trace elements (komponen dari beberapa enzim)

c)       Drugs and compounds influence to FR metabolism

Anti oksidan itu jika sudah berikatan dengan radikal bebas, maka akan berubah juga menjadi radikal bebas, tapi tergantung, bisa reaktif, bisa juga enggak.

High-molecule endogenous  antioxidants

• Transferrin
• Ferritin
• Haptoglobin
• Hemopexin
• Albumin

Low-molecule endogenous antioxidats

1)      Ascorbate Acid (vitamin C), diperlukan pd:

a)      collagen synthesis, pd reaksi hiroksilasi prolin menjadi hidroksi-prolin

b)      konversi dopamine mjd epinephrine

c)       reduction agent

d)      Fe absorption (mengubah Fe3+ mjd Fe2+)

e)      antioxidant = reduction O₂ ^{· -} OH ^·, ROO·, HO₂ ^·

f)       regenerasi radikal tocopheryl

g)      prooxidant

2)      Alfa-tocopherol (vitamin E)

a)      localise in membranes

b)      produces hydroperoxides, which are changes by GSHPx

3)      ubiquinone (coenzyme Q)

a)      Merupakan pembawa elektron pada rantai ransfer elektron ( inget praktikum Fos-OX blok 1.2??)

b)      co-operates with tocopheryl

4)      carotenoides, b-caroten, vitamin A (ada carotenoid : dari tumbuh2an, dan retinoid : dari hewan)

a)      bekerjasama dengan Vitamin E menangkal radikal bebas pada membran sel dan Lipid

5)      glutathione (GSH, GSSG)

a)      Terdapat pada semua sel mamalia (1-10 mmol/l), terutama yang sering dipelajari adalah pada sel darah merah.

b)      Berfungsi sepagai Redoks Buffer

c)       2 GSH Û GSSG + 2e^- + 2H⁺

ROS elimination, stabilisation in reduction form ( SH- groups, tocopheryl and ascorbate regeneration) substrate of glutathione peroxidases

6)      Lipoic acid  (lipoate)

a)      Kofaktor PDH pada regenerasi fungsi dari tokoferol (vit E) dan asam asorbat (vit C) yang nantinya akan berfungsi kembali sebagai anti oksidan yang potent.

7)      Melatonin

a)      lipophilic ;  hydroxyl radicals scavenger

8)      uric acid  (urates)

9)      bilirubin

10)   flavonoids (polyphenol) à Recent study show that flavonoids in plant such as myrmcodia pedens and Annona muricata L, ora carica papaya L. has an anti cancer activity against breast cancer and cervical cancer in invitro study, through olecular pathway such as caspase 3, p53, Bax, and Bcl-2 (RR)

* GSG   : Glutation terreduksi

* GSSH : Glutation teroksidasi

Superoxid dismutase, kofaktornya ada Mn, Zn, dan Cu

(EC 1.15.1.1, SOD) à klasifikasi enzim, abaikan saja

2O₂^{. -} + 2H⁺ ® H₂O₂ + O₂

• SOD -  terlihat pada semua sel yang memetabolisme oksigen untuk mendapatkan energi, different cofactors (metals) an inducible in case of superoxide overproduction
• Mn ²⁺ SOD (SOD1) – stabilitasnya lebih rendah dibanding Zn dan Cu
• tetramer
• matrix mitochondria
• lower  stability than Cu, Zn - SOD
• Cu ²⁺/Zn ²⁺  SOD (SOD 2)
• dimer, Cu = redox centr
• cytosol, intermitochondrial space
• hepatocyt, brain, erytrocyte
• high stability, catalysation at pH 4,5-9,5

Glutathion peroxidases

elimination of intracellular hydroperoxides and  H₂O₂

2 GSH + ROOH ® GSSH + H₂O + ROH

n  cytosolic GSH - glutathionperoxidase (EC 1.11.1.9, cGPx)

n  extracelullar GSH - glutathionperoxidase (eGSHPx)

n  phospholipidhydroperoxide  GSH - peroxidase (EC 1.11.1.12, PHGPx)

Catalase

(EC 1.11.1.6, KAT)

2 H₂O₂  ® 2 H₂O + O₂

• high affinity to H₂O₂ : peroxisomes hepatocytes mitochondria, cytoplasm of erytrocytes
• tetramer with  Fe, needs NADPH (diperoleh dari HMS/Hexose Monophosphate Shunt)

Trace elements influence to FR metabolism

• Selenium
• Unsur pokok dari glutathione peroxidase
• mempengaruhi absorbsi dari vit. E, bagian dari selenoproteins ( selenium berfungsi untuk menjaga fungsi pankreas à fungsi pankreas baik àlipase baik à absorbsi lemak okeà vit E (larut lemak) banyak àanti oksidan oke)
  ß of Se = insufficient immun. respons, erytrocytes hemolysis,  sintesis methemoglobin yang berlebihan.
• Copper, Zinc
• Constituents of superoxide dismutase (CuZnSOD)
•  cell membrane stabilisation
•  Fe antagonist

V.                MARKERS DARI OXIDATIVE STRESS

Deteksi FR secara langsung itu sulit, karena berbagai sifat kimia dan fisikanya. Jadi, Intinya adalah mendeteksi produk oksidasi dari radikal bebasnya. (scr tidak langsung)

Lipoperoxidation markers:

n  malondialdehyde (MDA), conjugated diens, isoprostanes

Oxidative damage to protein markers :

n  protein hydroperoxides

Oxidative damage to DNA :

n  modified nucleosides

VI.            DISORDERS ASSOCIATED WITH OXIDATIVE STRESS

1)      Neurological

a)      Alzheimers Disease

b)      Parkinson‘s Disease

2)      Endocrine

a)      Diabetes Mellitus

3)      Gastrointestinal

a)      Acute Pancreatitis

4)      Others conditions

a)      Obesity

b)      Air Pollution

c)       Toxicity

d)      Inflammation

Antioxidant Defense Processes

• Prevention
• Balance between oxidative load and antioxidant function
• Vitamin E, ascorbic acid, beta-carotene (beberapa sumber menyebutkan, protein pengikat logam juga bertindak sebagai antioksidan prevensi. Seperti trasferin albumin, ceruloplasmin, dll)
• Interception
• Local antioxidant levels
• Vitamin E, glutathione, superoxide dismutase
• Repair—Mostly enzymatic
• DNA repair system, reductases

Role of Nutrients in Antioxidant Systems

1)      Vitamin E

a)      Menjaga lipid bilayer pada membran sel dari serangan radikal bebas, terutama pada saraf(paling gampang keliatan manifestasinya)

2)      Vitamin C

a)      Menjaga fungsi vitamin E di sitosol dan membran sel setelah vit E mengalami oksidasi oleh radikal

3)      Carotenoids−Beta-carotene

a)      quenches ; may also inhibit free-radical-generating reactions− Autoregenerate with release of thermal energy O2

Protective”Intake Levels of Antioxidant Nutrients

                Protective level*    RDA

n  Vitamin C                              >600 mg                   60

n  Vitamin E                             >200 IU                      10

n  Selenium                             70–120 μg                70*

Daily intakes associated with a risk reduction of 25% or more

Diet Constituents Implicated on Disease Risk

• Fats
• Cholesterol
• Fiber
• Antioxidant vitamins and minerals
• Sugar
• Protein
• Calcium and vitamin D
• Folic acid
• Iron

Diet and Atherosclerosis

• Diet rendah Lemak
• Menurunkan kadar kolesterol total dan juga LDL
• Rendah lemak jenuh, tinggi lemak tak jenuh
• Menurunkan kolesterol darah dan VLDL, dan juga meningkatkan HDL
• High-carbohydrate diets
• Modest lowering effect on all lipid fractions, but rise in TG
• Minyak ikan
• Menurunkan Trigliserid secara signifikan, tetapi tidak banyak merubah fraksi dari kolesterol

Dietary Factors Affecting Blood Cholesterol

• Increase
• Lemak jenuh ( margarin, mentega, coklat putih, minyak goreng)
• Cholesterol (lemak binatang, mentega, udang dll)
• Asam Lemak trans
• Decrease
• Asam lemak tak jenuh (bisa berasal dari minyak ikan)
• PUFA (fish oil)
• Serat ( beraksi dalam mengikat lemak di usus sehingga tidak di absorbsi, dan juga mempercepat transit makanan di kolon, sehingga menurunkan risiko colorectal cancer)

Non-Dietary Factors Affecting Blood Cholesterol

• Increase
• Smoking
• Excess body fat
• Alcohol
• Decrease
• Exercise
• Estrogens

Other Nutrients Associated with Risk of CHD

·         Asam Folat

·         Vitamins B6 and B12

·         Besi

(Folate and Vitamin B: Interrelationships), ini semua kayak kuliah nutrigenomik dan MTHFR gen.

Homocysteine                                          Methyl-THF

(B12 )

Methionine                                                      THF

(B6)

5,10-methylene-THF

Yak sekian dulu aja, cukup abstrak soalnya materi kali ini, sy jg kurang minat ttg hal2 beginian, hahaha... maaf ya kl sama persis sama kuliah / slide( udah tak tambahin kok wis), namanya juga cakul,hehe...

Maaf kl ada yg salah, smg membantu, Alhamdulillah

@wisdakusuma

@siabangReagan

Patient : “ why do you fight for me, you risk so much,

 even you hardly don’t know me?”

Doctor : you’re my patient.

-House MD