Antioksidan

Akhir-akhir ini perhatian dunia kedokteran terhadap oksidan 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 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 :

1. yang berasal dari tubuh sendiri, yaitu senyawa-senyawa yang sebenarnya berasal dari proses-proses biologik normal (fisiologis), namun oleh suatu sebab terdapat dalam jumlah besar
2. yang berasal dari proses-proses peradangan.
3. yang berasal dari luar tubuh, seperti misalnya obat-obatan dan senyawa pencemar (polutant)
4. yang berasal dari akibat radiasi

 Dalam kepustakaan kedokteran pengertian oksidan dan radikal bebas (free radicals) sering dibaurkan karena keduanya memiliki sifat-sifat yang mirip. Aktivitas kedua jenis senyawa ini sering menghasilkan akibat yang sama walaupun prosesnya berbeda. Sebagai contoh perhatikan dampak H₂O₂ (hidrogen peroksida) dan radikal bebas ·OH (radikal hidroksil) terhadap glutation (GSH) :

a. H₂O₂ :

GSH  +  H₂O₂   ----->   GSSG  +  2H₂O

b.^·OH  :

GSH  +    ^·OH    ------>   H₂O  +   GS^·  (radikal glutation)

    

GS^·  +    GS^·   ------>    GSSG

Walaupun ada kemiripan dalam sifat-sifatnya namun dipandang dari sudut ilmu kimia, keduanya harus dibedakan. Oksidan, dalam pengertian ilmu kimia, adalah senyawa penerima elektron, (electron acceptor), yaitu senyawa-senyawa yang dapat menarik elektron. Ion ferri (Fe⁺⁺⁺), misalnya, adalah suatu oksidan :

Fe⁺⁺⁺     +   e^-      ------->      Fe⁺⁺

 

Sebaliknya, dalam pengertian ilmu kimia, radikal bebas adalah atom atau molekul (kumpulan atom) yang memiliki elektron yang tak berpasangan (unpaired electron).  Sebagai contoh marilah kita perhatikan molekul air (H₂O). Ikatan atom oksigen dengan hidrogen merupakan ikatan kovalen, yaitu ikatan kimia yang timbul karena sepasang elektron dimiliki bersama (share) oleh dua atom.

Bila terdapat sumber energi yang cukup besar, misalnya radiasi, molekul air dapat mengalami pembelahan homolitik (homolytical cleavage). Atom H ( ·H)  memiliki elektron yang tak berpasangan sehingga dapat pula dianggap sebagai radikal.. Molekul air dapat pula mengalami pembelahan jenis lain, yaitu pembelahan heterolitik (heterolytical cleavage). Dalam hal ini, yang terbentuk bukanlah radikal tetapi ion-ion, sehingga proses tersebut dinamakan ionisasi. Untuk ionisasi molekul air tak diperlukan masukan energi yang besar, sehingga dalam keadaan “biasa” air mengalami ionisasi. Elektron yang tak berpasangan cenderung untuk membentuk pasangan, dan ini terjadi dengan menarik  elektron  dari senyawa lain sehingga terbentuk radikal bar.

Dari contoh diatas jelaslah bahwa radikal bebas memiliki dua sifat, yaitu :

1. Reaktivitas tinggi, karena kecenderungan menarik elektron.

2. Dapat mengubah suatu molekul menjadi suatu radikal

Sifat radikal bebas yang mirip dengan oksidan terletak pada kecenderungannya untuk menarik elektron.Jadi sama halnya dengan oksidan, radikal bebas adalah penerima elektron. Itulah sebabnya dalam kepustakaan kedokteran, radikal bebas digolongkan dalam oksidan. Namun perlu diingat bahwa radikal bebas adalah oksidan tetapi tidak setiap oksidan adalah radikal bebas.

Radikal bebas lebih berbahaya dibanding dengan oksidan yang bukan radikal. Hal ini disebabkan oleh kedua sifat radikal bebas diatas, yaitu reaktifitas yang tinggi dan kecenderungannya membentuk radikal baru, yang pada gilirannya apabila menjumpai molekul lain akan membentuk radikal baru lagi, sehingga terjadilah rantai reaksi (chain reaction) Reaksi rantai tersebut baru berhenti apabila radikal bebas tersebut dapat diredam (quenched). Contohnya ialah reaksi radikal hidroksil dengan glutation yang telah dibahas diatas.. Reaksi akan berhenti karena dua radikal glutation (GS^·) akan bereaksi membentuk glutation teroksidasi (GSSG). Seluruh reaksi radikal bebas dapat dijabarkan menjadi 3 (tiga) tahap, yaitu :

1. tahap inisiasi
2. tahap propagasi
3. tahap terminasi

Daya perusak radikal bebas dengan demikian jauh lebih besar dibandingkan dengan oksidan biasa. Karena reaktifitasnya yang tinggi, radikal bebas tak stabil dan berumur sangat pendek sehingga sulit dideteksi kecuali dengan metoda-metoda khusus seperti  pengukuran EPR (Electron Paramagnetic Resonance). Walaupun reaktifitas radikal bebas pada umumnya cukup tinggi sehingga berumur pendek, namun ada beberapa jenis radikal bebas yang relatif stabil. Salah satu contoh adalah radikal bebas vitamin E. Berkat struktur molekulnya yang memungkinkan terjadinya resonansi, radikal vitamin E tak perlu reaktif, sehingga dapat berfungsi sebagai peredam (quencer).

Senyawa Oksigen Reaktif

Oksidan yang terlibat dalam berbagai proses patologis sebagian besar  justru berasal dari proses-proses biologis alami. Dan melibatkan apa yang disebut sebagai senyawa oksigen reaktif (reactive oxygen compounds ). Sebagian diantaranya berbentuk radikal seperti  radikal hidroksil (·OH), radikal peroksil (·OOH), dan ion superoksida (O₂^-·). Sebagian  yang lain bukan radikal, seperti singlet oksigen (‘O₂), hidrogen peroksida (H₂O₂)  dan ion hipoklorit (ClO^-)

Senyawa oksigen reaktif, sesuai dengan namanya, berasal dari oksigen (O₂), senyawa yang diperlukan oleh semua organisma airobik termasuk manusia.

Organisma aerobik memerlukan oksigen untuk menghasilkan ATP, suatu senyawa yang merupakan sumber enrgi bagi kebanyakan mahluk hidup, melalui fosforilasi oksidatif  yang terjadi di mitokondria. Proses tersebut secara sederhana dapat digambarkan sebagai berikut :

               NADH   +   H⁺  +   O₂        ----->      NAD⁺   +   H₂O   +   energi

   

               ADP   +   P   +   energi       ------>      ATP

Pada proses tersebut terjadi reduksi O₂ menjadi H₂O yang secara sederhana dapat ditulis sebagai berikut :

                O₂   +   4H⁺   +   4 e^-    ----->  H₂O

Dari persamaan tersebut diatas mudah dilihat bahwa reduksi oksigen menjadi H₂O merupakan pengalihan 4 (empat) elektron  (4 electron  transfer). Dalam keadaan tertentu pengalihan elektron tersebut berjalan kurang sempurna  sehingga terjadi senyawa-senyawa oksigen reaktif yang sangat berbahaya, yang akan merusak sel apabila tak diredam. Hal seperti itu terjadi dalam keadaan-keadaan yang disebut  jejas oksidatif (oxidative  stress).

Reduksi Oksigen

Dalam buku teks kimia lama, struktur elektron molekul oksigen (O₂) ditulis sebagai berikut :     · ·            · ·

                  O : : O    atau       `O = `O               

                  · ·            · ·

Menurut struktur tersebut semua elektron dalam molekul oksigen berpasangan, sehingga  O₂ seharusnya tidak reaktif. Namun, dalam kenyataannya oksigen  cukup reaktif  (besi berkarat dalam udara terbuka karena pembentukan FeO). Karena itu para ahli kimia mulai meragukan  apakah struktur elektron tersebut benar. Kemudian ditemukan bahwa struktur elektron oksigen yang tepat adalah sebagai berikut :

                     ..   ..                           

                   · O : O·      atau     · `O -`O ·         

Berdasar struktur tersebut, O₂ adalah suatu di-radikal karena memiliki dua elektron yang tak berpasangan.. Sebagai di-radikal, oksigen mestinya sangat reaktif, lebih reaktif dibanding dengan radikal hidroksil yang hanya memiliki satu elektron yang tak berpasangan.

Lalu mengapa oksigen tak sereaktif radikal hidroksil ? Jawabnya terletak pada putaran (spin ) elektron yang tak berpasangan tersebut. Keduanya terletak pada orbital yang berbeda dan menunjukkan angka kuantum putaran (spin quantum number) yang sama. Dikatakan bahwa kedua elektron tersebut memiliki putaran sejajar(parallel spin). Untuk membentuk ikatan kovalen diperlukan dua  elektron yang harus terletak pada satu orbital dan dengan putaran yang berlawanan (anti parallel ). Kendala ini menyebabkan oksigen hanya dapat menerima elektron  dalam tahapan-tahapan, yang masing-masing berupa pengalihan satu elektron (one electron transfer). Reduksi oksigen memerlukan pengalihan 4 (empat) elektron. Pengalihan ini tak dapat terjadi sekaligus, tetapi dalam 4 tahapan yang setiap tahap hanya melibatkan pengalihan satu elektron . Kendala yang mengharuskan  oksigen hanya dapat menerima satu elektron setiap tahap menyebabkan terjadinya dua hal, yaitu :

1. kurang reaktifnya oksigen
2. terjadinya senyawa-senyawa oksigen reaktif seperti O^-₂· (ion superoksida), H₂O₂ (hidrogen peroksida), ·OOH (radikal peroksil), dan ·OH (radikal hidroksil)

Dari reaksi-reaksi diatas dapat terlihat  bahwa ion superoksida, radikal peroksil, hidrogen perolsida, dan radikal hidroksil terjadi karena pengalihan elektron yang kurang sempurna pada saat terjadi reduksi oksigen.

Molekul oksigen dapat berubah menjadi sangat reaktif bila kedua elektron tunggalnya disatukan dalam satu orbital dengan putaran yang berlawanan. Denganperpindahan ini satu  orbital menjadi kosong dan mudah diisi oleh sepasang elektron dengan putaran yang berlawanan. Keadaan seperti ini terdapat dalam bentuk molekul oksigen khusus yang disebut singlet oksigen dengan rumus sebagai berikut :

                                               _   _

                                             úO-O

Singlet oksigen dapat terjadi pada keadaan-keadaan khusus

Dampak Negatif 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 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.

Protein yang memegang berbagai peran penting seperti enzim, reseptor, antibodi dan pembentuk matriks  serta sitoskeleton.

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 serangan-serangan radikal, terutama radikal hidroksil. Radikal hidroksil dapat menimbulkan reaksi rantai yang dikenal dengan nama peroksidasi lipid

           

             LH      +       ·OH       ----->               ·L        +         H₂O

       Asam lemak.                                       Radikal lipid

           

            ·L         +       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 (cross-linking) antara dua rantai asam lemak atau antara asam lemak dan rantai peptida (protein) yang timbul karena reaksi dua radikal :

R1· + R2 · -----> R1-R2

Semuanya itu menyebabkan kerusakan kerusakan parah membran sel sehingga membahayakan kehidupan sel.


Dampak Negatif Terhadap DNA

Radikal bebas  dapat menimbulkan berbagai perubahan pada DNA yang antara lain .berupa : hidroksilasi basa timin dan sitosin, pembukaan inti purin dan pirimidin serta terputusnya rantai fosfodiester DNA

Bila kerusakan tak terlalu parah, maka  masih bisa diperbaiki oleh sistem perbaikan DNA (DNA repair 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 prone ), dan apabila mutasi ini mengenai gen-gen tertentu yang disebut onkogen, maka mutasi tersebut dapat menimbulkan kanker.

Dampak Negatif Terhadap Proptein

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 mengandung gugusan sulfidril (SH) dan justru gugusan inilah yang paling peka terhadap serangan radikal bebas seperti radikal hidroksil :

                         RSH    +    ·OH   ---->        RS·   +   H₂O

                          RS·     +    RS·    ----->         R-S-S-R

Pembentukan ikatan disulfida (-S-S-) menimbulkan ikatan intra atau antar molekul protein tersebut kehilangan fungsi biologisnya (misalnya enzim kehilangan aktivitasnya).


Pertahanan Terhadap Oksidan: Antioksidan

Senyawa-senyawa oksigen reaktif terjadi akibat proses-proses biologis normal, namun apabila aktifitas senyawa-senyawa tersebut tak diredam, maka oksigen pembawa kehidupan organisma aerobik akan berbalik menjadi racun yang mematikan, dan organisma aerobik sudah lama punah, mdari muka bumi. Dalam kenyataannya organisma aerobik tetap berjaya, dan saat ini merupakan organisma yang dominan di muka bumi ini, termasuk manusia. Organisma aerobik dapat bertahan karena alam menyediakan sarana untuk meredam dampak negatif oksidan, yaitu senyawa-senyawa anti-oksidan

Dalam pengertian kimia, senyawa-senyawa anti-oksidan adalah senyawa-senyawa pemberi elektron (electron donors). Namun dalam arti biologis, pengertian anti-oksidan lebih luas, yaitu merupakan senyawa-senyawa yang dapat meredam dampak negatif oksidan, termasuk enzim-enzim dan protein-protein pengikat logam.Secara umum, antioksidan didefinisikan sebagai senyawa yang dapat menunda, memperlambat dan mencegah proses oksidasi.

Dalam meredam dampak negatif oksidan diterapkan strategi dua lapis, yaitu :
1. mencegah terhimpunnya senyawa-senyawa oksidan secara berlebihan.
2. Mencegah reaksi rantai berlanjut.

Berdasarkan dua mekanisma pencegahan dampak negatif oksidan tersebut, antioksidan dapat dibagi menjadi dua golongan, yaitu :

1. anti-oksidan pencegah
2. anti-oksidan pemutus rantai (chain-breaking anti-oxidants)

Antioksidan Pencegah

Pada dasarnya tujuan anti-oksidan jenis ini adalah adalah mencegah terjadinya radikal hidroksil, yaitu radikal yang paling berbahaya..

untuk membentuk radikal hidroksil diperlukan tiga komponen, yaitu : logam transisi Fe atau Cu, H₂O₂ dan O₂·^-  Agar reaksi Fenton tak terjadi, maka harus dicegah keberadaan ion Fe⁺⁺ atau Cu ⁺  bebas. Untuk itu berperan beberapa protein penting, yaitu :

- untuk Fe : transferin atau feritin

-  untuk Cu : seruloplasmin  atau  albumin     

Penimbunan O₂·^- dicegah oleh enzim superoksida dismutase (SOD) yang  mengkatalisis reaksi dismutasi O₂·^-  :

                            2 O₂·^-  +  2 H⁺  ---->    H₂O₂   +   O₂

 

Penimbunan H2O2 dicegah melalui aktifitas dua jenis enzim, yaitu :

a.       katalase, yang mengkatalisis reaksi dismutasi H2O2 :

                                2 H₂O₂     ---->       2 H₂O  +  O₂

b.      peroksidase, yang mengkatalisis reaksi  sebagai berikut :

                   R   +    H₂O₂   ----->     RO   +   H₂O

Diantara berbagai peroksidase, yang paling penting adalah glutation peroksidase (GSPx), yang mengkatalisis reaksi :

                   2 GSH  +  H₂O₂   ----->       GSSG   +   2 H₂O

Apabila radikal hidroksil masih saja terbentuk, masih ada sarana lain untuk meredamnya, tanpa memberi kesempatan untuk memulai reaksi rantai dengan melibatkan senyawa-senyawa  yang mengandung gugusan sulfidril seperti glutation dan sistein :

 Glutation (GSH) :                      

                        GSH   +    ·OH   ----->   GS·    +   H₂O

                                                    2 GS·    ------>   GSSG

                Sistein (Cys-SH) :

                                     Cys-SH  +  ·OH    ------>         Cys-S·   +  H2O

                                                     2 Cys·    ------>      Cys-S-S-Cys

                                                                                     sistin

Antioksidan Pemutus Rantai



Dalam kelompok anti-oksidan ini termasuk vitamin E (tokoferol), asam askorbat (vitamin C), b-karoten, dan dua senyawa yang juga berperan sebagai anti-oksidan pencegah rantai reaksi, yaitu glutation dan sistein.

Vitamin E dan b-karoten bersifat lipofilik, sehingga dapat berperan pada membran sel untuk mencegah peroksidasi lipid. Sebaliknya, vitamin C, glutation dan sistein bersifat hidrofilik, dan berperan dalam sitosol..

Vitamin E sebenarnya terdiri dari empat senyawa, yaitu : alfa, beta, gamma dan delta tokoferol. Karena keberadaannya dalam membran, vitamin E dapat bereaksi dengan radikal lipid (L· ) dan radikal peroksilipid (LOO·)

Toc-H + L· -----> Toc· + LH

Toc H + LOO· -----> Toc· + LOOH

Radikal vitamin E (Toc·) tak terlalu reaktif karena terjadinya resonansi. Meskipun demikian, radikal vitamin E perlu juga dihilangkan. Untuk ini ada tiga cara, yaitu a. radikal vitamin E mengalami reaksi-reaksi intramolekul menghasilkan senyawa-senyawa non-radikal

b. setelah bergeser kearah permukaan molekul, radikal vitamin E bereaksi dengan

vitamin C (Asc-H) dan menghasilkan radikal vitamin C (Asc·) :

Toc· + Asc-H2 ------> Toc-H + Asc·- + H+

Radikal vitamin C kemudian dihilangkan melalui reaksi dismutasi yang menghasilkan vitamin C dan dihidro-asam ascorbat (DHAA) :

2 Asc· + 2 H+ ------> Asc-H2 + DHAA

c. Radikal vitamin E dapat pula bereaksi dengan glutation atau sistein yang juga terdapat dalam sitosol :

Toc· + GSH (CysSH) -----> Toc-H + GS· (CysS· )

2 GS· (CysS· ) -----> GSSG (CysS-Scys)

Vitamin E hanya dapat berperan bila tekanan oksigen (pO2) tinggi. Pada tekanan oksigen rendah, peranan vitamin E digantikan oleh b-karoten. Seperti halnya radikal vitamin E, radikal b-karoten agak stabil karena adanya resonansi dalam molekulnya.

Kegunaan Antioksidan

Antioksidan sangat bermanfaat bagi kesehatan dan berperan penting untuk mempertahankan mutu produk pangan. Berbagai kerusakan seperti ketengikan, perubahan nilai gizi, perubahan warna dan aroma, serta kerusakan fisik lain pada produk pangan karena oksidasi dapat dihambat oleh ketersediaan antioksidan.


Penggolongan Antioksidan

Berdasarkan sumbernya, antioksidan dapat digolongkan dalam:
1. Antioksidan Sintetik
yaitu antioksidan yang diperoleh dari hasil sintesis reaksi kimia dan telah diproduksi untuk tujuan komersial
Contoh: Butil hidroksi anisol (BHA), Butil hidroksi toluen (BHT), propil galat, Tert-butil hidroksi quinon (TBHQ) dan tokoferol
BHA memiliki kemampuan antioksidan yang baik pada lemak hewan dalam sistem makanan panggang, namun relatif tidak efektif pada minyak tanaman. BHA bersifat larut lemak dan tidak larut dalam air, berbentuk padatan putih dan dijual dalam bentuk tablet atau serpih, bersifat volatil sehingga berguna untuk penambahan ke materi pengemas.
Antioksidan sintetik BHT memiliki sifat serupa BHA dan akan memberikan efek sinergisbila dimanfaatkan bersama BHA. BHT berbentuk kristal padat putih dan dipergunakan secara luas karena relatif murah.
Propil galat mempunyai karakteristik sensitif terhadap panas dan terdekomposisi pada titik cairnya 148 C. Propil galat dapat membentuk komplek warna dengan ion metal sehingga kemampuan antioksidannya rendah. Propil galat berbentuk kristal padat putih, sedikit tidak larut lemak tetapi larut dalam air, serta memberikan efek sinergis dengan BHA dan BHT.

2. Antioksidan Alami
Senyawa antioksidan alami bisa merupakan komponen makanan yang sudah ada atau berasal dari reaksi kimia yang terjadi selama proses pengolahan. Antioksidan alami dapat pula diperoleh dari sumber alami melalui proses ekstraksi dan pemurnian, kemudian ditambahkan sebagai bahan tambahan makanan. Pada tanaman, antioksidan alami tersebar di beberapa bagian tanaman, seperti pada kayu, kulit kayu, akar, daun, buah, bunga, biji dan serbuk sari.

Senyawa antioksidan alami tumbuhan umumnya adalah senyawa fenolik atau polifenolik yang dapat berupa golongan flavonoid, turunan asam sinamat, kumarin, tokoferol, dan asam-asam organik polifungsional. Senyawa antioksidan polifenolik adalah multifungsional dan dapat bereaksi sebagai i) pereduksi, ii) penangkap radikal bebas, iii) pengkelat logam, dan iv) peredam terbentuknya singlet oksigen.

Metode Analisis Antioksidan

Metode Kualitatif: Uji warna, spektrometri IR, dan DPPH (Diphenyl pycril hidrazil)
Metode Kuantitatif: ORAC (Oxygen Radical Absorbance Capacity), iodimetri dan iodometri