Cermin Dunia Kedokteran

TINJAUAN KEPUSTAKAAN

Radikal Bebas - Sifat dan Peran dalam

Menimbulkan Kerusakan/Kematian Sel

Retno Gitawati

Pusat Penelitian dan Pengembangan Farmasi, Badan Penelitian dan Pengembangan Kesehatan

Departemen Kesehatan RI, Jakarta

PENDAHULUAN

Salah satu penyebab kerusakan sel/jaringan adalah akibat

pembentukan radikal bebas. Radikal bebas adalah produk-antara

yang terbentuk dalam berbagai proses reaksi dari metabolisme

sel

(1,2)

. Dalam kurun waktu 15 tahun terakhir banyak studi di-

lakukan untuk mengetahui peran radikal bebas dalam menimbul-

kan kerusakan sel dan terjadinya bermacam kelainan tubuh.

Salah satu radikal bebas yang banyak dipelajari dan dikenal ber-

sifat toksik bagi sel hidup adalah radikal bebas oksigen (super-

oksida) dan derivatnya (radikal hidroksil). Berbagai proses

metabolisme dalam tubuh manusia menghasilkan radikal bebas

yang berbal namun dalam keadaan fisiologik tubuh kita

memiliki mekanisme proteksi yang menetralkan radikal bebas

tersebut, antara lain dengan adanya enzim-enzim yang bersifat

scavenger terhadap radikal bebas.

Tulisan ini bermaksud mengulas secara ringkas apa, bagai-

mana dan mekanisme biokimiawi radikal bebas dalam menim-

bulkan kerusakan dan kematian sd, dan scavenger-nya.

APA DAN BAGAIMANA TERBENTUKNYA RADIKAL

BEBAS

Radikal bebas adalah suatu atom, gugus atom atau molekul

yang memiliki satu atau lebih elektron yang tidak berpasangan

pada orbital paling luar

(1,2,3)

, termasuk di antaranya adalah atom

hidrogen, logam-logam transisi dan molekul oksigen. Adanya

"elektron-tidak-berpasangan" menyebabkan radikal bebas (di-

beri simbol R.) secara kimiawi sangat reaktif. Radikal bebas

dapat bermuatan positif (kation), negatif (anion) atau tidak ber-

muatan.

Secara umum, radikal bebas dapat terbentuk melalui salah

satu cara sebagai berikut

(2)

: (i) melalui absorpsi radiasi (ionisasi,

uv, radiasi sinar tampak, radiasi panas), atau (ii) melalui reaksi

redoks, dengan mekanisme reaksi fisi ikatan homolitik (a) atau

pemindahan elektron (b):

A:B > A· + B· (a) A:B A: + B

A : + B > A· + B· (b)

Pengaruh radiasi ionisasi terhadap materi biologik akan

menghasilkan bermacam-macam radikal bebas yang kompleks,

terutama radikal hidrogen (H.), hidroksil (OH.), dan elektron,

yang siap berinteraksi dengan biomolekul-biomolekul lain yang

berdekatan. Energi panas juga dapat menghasilkan radikal bebas.

Secara umum, suhu tinggi dibutuhkan untuk memecahkan ikatan

kovalen, tetapi beberapa ikatan yang relatif tidak stabil dapat

dipecahkan secara homolitik pada suhu 30° 50°C. Senyawa-se-

nyawa demikian sebagian besar merupakan pencetus (initiator)

reaksi pembentukan radikal bebas. Zat-zat organik ataupun xeno-

biotik yang terpapar suhu tinggi, misalnya polutan, sampah

organik yang dibakar, rokok yang terbakar, menghasilkan cam-

puran berbagai radikal bebas yang kompleks

(2)

. Beberapa reaksi

redoks penghasil radikal bebas membutuhkan katalisator, biasa-

nya logam transisi atau suatu enzim (metaloenzim atau flavo-

protein).

Berbagai proses metabolisme normal dalam tubuh dapat

menghasilkan radikal bebas dalam jumlah kecil sebagai produk.

antara. Didalam sel hidup radikal bebas terbentuk pada membran

plasma dan organel-organel seperti mitokondria, peroksisom,

retikulum endoplasmik dan sitosol; melalui reaksi-reaksi enzi-

matik fisiologik yang berlangsung dalam proses metabolisme

(4)

Proses fagositosis oleh sel-sel fagositik termasuk netrofil, mo-

nosit, makrofag dan eosinofil, juga menghasilkan radikal bebas,

yaitu superoksida (O

·)

(1)

RADIKAL BEBAS OKSIGEN DAN DERIVATNYA

Seperti telah disinggung di atas ada beberapa jenis radikal

bebas. Tiga di antaranya diulas lebih lanjut berikut ini:

Cermin Dunia Kedokteran No. 102, 1995 33

1) Radikal superoksida (O

·)

Radikal ini merupakan jenis yang paling banyak: diteliti,

dan terbentuk bila 1 molekul O

menerima 1 elektron.

> O

Superoksida bersifat oksidan atau reduktan, dapat bereaksi

dengan berbagai substrat biologik. Reaktifitas O

· sangat ter-

batas karena adanya dismutasi spontan yang dapat terjadi pada

pH fisiologik, membentuk H dan O

· Tetapi dengan terba-

tasnya reaktifitas O

menyebabkan radikal ini dapat berdifusi

dan bereaksi dengan substratnya dalam jarak yang relatif lebih

jauh dari tempat asalnya.

2) Hidrogen peroksida

Penambahan 1 elektron pada radikal O

menghasilkan ion

peroksida O

yang tidak bersifat radikal, dan pada pH fisiologik

akan segera mengalami protonasi membentuk H

. Derivat

oksigen ini bersifat oksidan kuat tetapi bereaksi lambat dengan

substrat organik, dan dianggap toksik pada kadar tinggi. Meskipun

bukan radikal bebas, akumulasi H

dapat berbahaya bila ter-

dapat bersama-sama dengan logam (Fe, Cu) atau zat-zat kelator

(chelating agents)

(1,3)

karena akan bereaksi membentuk radikal

hidroksil yang sangat reaktif. Akumulasi hidroperoksid secara

langsung bersifat toksik dan dapat menginaktifasi enzim-enzim

dengan cara oksidasi terhadap residu asam amino (mis. metionin,

histidin, sistein, lisin) atau memperantarai reaksi polimerasi.

3) Radikal hidroksil (OH.)

Reaksi fisi homolitik ikatan O-O pada H

menghasilkan 2

molekul radikal hidroksil, OH.. Reaksi homolitik ini dapat

terjadi karena pengaruh panas atau radiasi ionisasi. Selain itu,

radikal hidroksil juga dapat terbentuk dari H dengan adanya

ion-ion logam (Fe

,Cu

), menurut reaksi Fenton, dan dengan

adanya kelator melalui reaksi Haber-Weiss

(1,3,4)

(i) Fe

+ OH· + OH-

(ii) Cu

+ OH· + OH-

(iii) Me

n+chel

+ 0

-->

(n1)+chel

+ 0

(n1)+chel

+ H

> Me

n+chel

+ OH

+ OH·

Radikal hidroksil adalah oksidan yang sangat reaktif dan

tidak stabil. Ia dapat bereaksi dengan hampir semua substrat bio-

logik. Karena sangat reaktif efek radikal ini hanya berlangsung di

daerah yang dekat dengan tempat terbentuknya, dan dalam kon-

disi fisiologik normal tidak ditemukan radikal hidroksil dalam

kadar yang besar.

SIFAT-SIFAT RADIKAL BEBAS

Radikal bebas bersifat sangat reaktif, dapat menimbulkan

perubahan kimiawi dan merusak berbagai komponen sel hidup

seperti protein, gugus tiol non-protein, lipid, karbohidrat, nukleo-

tida

(4)

. Terhadap protein, radikal bebas dapat menyebabkan

fragmentasi dan cross-linking, sehingga mempercepat terjadinya

proteolisis. Pengaruh radikal bebas pada gugus tiol enzim akan

menyebabkan antara lain perubahan dalam aktifitas enzim ter-

sebut. Terhadap lipid menyebabkan reaksi peroksidasi yang

akan mencetuskan proses otokatalitik yang akan menjalar sam-

pai jauh dari tempat asal reaksi semula. Terhadap nukleotida

radikal bebas akan menyebabkan terjadinya perubahan struktur

(DNA atau RNA) yang menyebabkan terjadinya mutasi atau

sitotoksisitas.

Perusakan sel oleh radikal bebas reaktif didahului oleh

kerusakan membran sel

(2)

, dengan terjadi rangkaian proses se-

bagai berikut:

(a) terjadi ikatan kovalen antara radikal bebas dengan kompo-

nen-komponen membran (enzim-enzim membran, komponen

karbohidrat membran plasma, sehingga terjadi perubahan struk-

tur dari fungsi reseptor;

(b) oksidasi gugus tiol pada komponen membran oleh radikal

bebas yang menyebabkan proses transpor lintas membran ter-

ganggu;

(c) reaksi peroksidasi lipid dan kolesterol membran yang me-

ngandung asam lemak tidak jenuh majemuk (PUFA = poly

unsaturated fatty acid). Hasil peroksidasi lipid membran oleh

radikal bebas berefek langsung terhadap kerusakan membran

sel, antara lain dengan mengubah fluiditas, cross-linking, struktur

dan fungsi membran; dalam keadaan yang lebih ekstrim akhirnya

akan menyebabkan kematian sel.

Efek biologik peroksidasi lipid membran bergantung antara

lain pada populasi sel yang bersangkutan dan profil asam lemak

pada membran fosfolipid. Contoh, membran mitokondria dan

mikrosom sensitif terhadap peroksidasi lipid karena kandungan

PUFA pada fosfolipid membran cukup tinggi. Umumnya semua

membran peka terhadap reaksi peroksidasi lipid dalam derajat

yang berbeda-beda.

Kerusakan struktur subseluler secara langsung mempenga-

ruhi pengaturan metabolisme. Sebagai contoh adalah: disrupsi

membran lisosom menyebabkan penglepasan enzim-enzim

hidrolitik lisosom yang selanjutnya mampu memperantarai

pengrusakan intraseluler, dan memperkuat kemampuan radikal

bebas dalam menginduksi kerusakan sel

(5)

Dalam keadaan normal tubuh kita memiliki mekanisme per-

tahanan terhadap pengrusakan oleh radikal bebas yang beragam,

efisien dan tersebar di berbagai tempat dalam sel. Menurut

konsep radikal bebas, kerusakan sel akibat molekul radikal baru

dapat terjadi bila kemampuan mekanisme pertahanan tubuh

sudah dilampaui atau menurun

(2)

RADIKAL BEBAS OKSIGEN SEBAGAI MEDIATOR

PROSES PATOFISIOLOGIK

Proses patofisiologi yang melibatkan pembentukan radikal

bebas dengan terjadinya kerusakan jaringan, banyak dipelajari

terutama mengenai iskemia (jantung dan SSP) dan terjadinya

proses inflamasi akut. Penyakit-penyakit degeneratif, proses

penuaan dan kanker juga banyak dihubungkan dengan terben-

tuknya radikal bebas oksigen. Pada iskemia SSP, radikal bebas

yang terbentuk terutama mempengaruhi lipid membran

(3)

. Di-

temukan zat-zat yang dapat menghambat pembentukan dan/atau

efek radikal bebas, yang diduga dapat pula menghambat keru-

sakan SSP akibat iskemia, contohnya, antiinflamasi non-steroid

dan mannitol

(3)

Pada iskemia, radikal bebas superoksida terbentuk dari

Cermin Dunia Kedokteran No. 102, 1995

hipoxantin yang merupakan hasil degradasi ATP. Reaksi ini

dikatalisis oleh xantin oksidase (tipe-O), yang merupakan hasil

konversi dari xantin dehidrogenase (tipe-D) dan terbentuk pada

keadaan patologik (iskemia) karena energi rendaH

(6,7)

tipe-O

hipoxantin

xantin

Proses inflamasi diperantarai oleh sintesis prostaglandin

yang dikatalisis oleh siklo-oksigenase. Produk-antara pada tahap

sintesis ini adalah terbentuknya radikal bebas

(3)

. Selain itu,

aktifasi sel-sel fagosit sebagai mekanisme imunologik normal

dalam meregulasi proses inflamasi (antara lain dengan merubah

permeabilitas vaskuler dan pembentukan faktor-faktor kemo-

taktik), juga akan menghasilkan radikal bebas oksigen

(1,2)

Zat-zat yang dapat bereaksi dengan DNA, sangat potensial

bersifat karsinogenik. DNA yang terpapar sistim penghasil ra-

dikal bebas oksigen, misalnya radikal hidroksil (OH.) reaktif

yang terbentuk dengan adanya ion-ion logam transisi, akan

mengalami pemecahan dan degradasi rantai desoksiribos

(1,2)

Efek mutagenik radikal superoksida yang terbentuk selama

aktifasi sel-sel fagosit pada inflamasi jaringan kronik, dapat

mendorong terjadinya sel kanker. Zat-zat kimia karsinogen dapat

mengalami aktifasi metabolik menjadi produk-antara radikal

bebas, misalnya metabolisme hidrokarbon polisiklik, amin-

aromatik dan sebagainya; bila terbentuk dekat dengan DNA,

akan bereaksi dengan DNA dan terjadi aktifitas karsinogenik

(2)

Dengan bertambahnya usia, radikal bebas yang terbentuk

selama metabolisme normal dapat merusak DNA dan makro-

molekul lain sehingga terjadi penyakit-penyakit degeneratif,

keganasan, kematian sel-sel vital tertentu, yang pada akhirnya

akan menyebabkan proses penuaan dan kematian bagi individu

tersebut. Sejenis pigmen (lipofuscin) yang terakumulasi pada

semua spesies mammalia sejalan dengan bertambahnya usia,

diduga berkaitan dengan terjadinya peroksidasi lipid. Terjadinya

katarak pada usia lanjut diduga antara lain karena proses

peroksidasi lipid akibat terbentuknya radikal superoksida secara

fotokimia oleh efek fotosensitisasi cahaya

(8)

SCAVENGER RADIKAL BEBAS

Scavenger radikal bebas adalah suatu substansi atau molekul

yang dapat bereaksi dengan radikal bebas, dan berfungsi me-

netralkan radikal bebas. Scavenger radikal bebas terdapat endo-

gen dalam tubuh kita, maupun berasal dari luar tubuh (eksogen).

Komponen-komponen sel, seperti gula, asam amino tak jenuh,

asam amino yang mengandung sulfur, asam lemak tak jenuh,

dapat bereaksi `menetralkan' radikal bebas. Produksi reaksi ini

akan bersifat kurang toksik terhadap sel dibandingkan radikal

bebas semula atau dengan mekanisme pertahanan ini diusaha-

kan mempertahankan kadar radikal bebas terendah yang tidak

lagi dapat menyebabkan kerusakan komponen sel.

Scavenger endogen berupa enzim-enzim mikrosom hati se-

perti katalase, peroksidase, dan superoksida dismutase (SOD),

secara fisiologik menetralkan pembentukan dan/atau efek radi-

kal bebas yang terbentuk selama proses metabolisme normal

(5,7)

dengan mekanisme sebagai berikut:

Pada keadaan patologik yang antara lain diakibatkan ter-

bentuknya radikal bebas dalam jumlah berlebihan, enzim-enzim

yang berfungsi sebagai scavenger endogen dapat menurun akti-

fitasnya, sehingga memperparah keadaan patofisiologik yang

telah terjadi.

Beberapa antioksidan dan zat/obat-obat seperti vitamin-E

(alfatokoferol), betakaroten, DMTU, allopurinol, kaptopril,

manitol, dalam beberapa penelitian dibuktikan mempunyai

aktifitas sebagai scavenger radikal bebas

(8)

antara lain dengan

mereduksi radikal bebas menjadi bentuk tidak toksik.

KESIMPULAN

Radikal bebas adalah suatu substansi kimia yang bersifat

reaktif karena memiliki "elektron-tidak-berpasangan" pada

orbital paling luar; yang paling banyak dipelajari adalah radikal

superoksida (O

·) dan radikal hidroksil (OH'). Substansi ter-

sebut mampu merusak berbagai komponen sel sehingga dapat

berakibat terjadinya kerusakan bahkan kematian sel dan berbagai

kelainan tubuh. Sistim biologik dapat terpapar oleh radikal

bebas, baik yang terbentuk endogen sebagai produk antara dalam

proses metabolisme sel, maupun eksternal seperti pengaruh

radiasi ionisasi dan proses pembakaran berbagai polutan.

Meskipun demikian, dalam keadaan fisiologik tubuh memiliki

mekanisme proteksi terhadap efek radikal bebas dengan adanya

enzim-enzim dan antioksidan yang bersifat scavenger.

Berbagai penelitian telah dilakukan terhadap substansi/obat-

obat yang diduga memiliki sifat scavenger radikal bebas antara

lain alfatokoferol (vitamin E), betakaroten, allopurinol, kaptopril

dan sebagainya; sebagian dengan tujuan untuk mengetahui

mekanisme pengrusakan radikal bebas, sebagian lain dengan

tujuan untuk terapi terhadap kelainan-kelainan yang ditimbul-

kan.

KEPUSTAKAAN

1. Halliwell B, Gutteridge JMC. Oxygen toxicity, oxygen radicals, transition

metals and disease. Biochem J 1984; 279: 114.

2. Slater TF. Free-radical mechanisms in tissue injury. Biochem J 1984; 222:

115.

3. Hess ML, Manson NH. Molecular Oxygen: Friend and Foe. The role of the

oxygen free radical system in the calcium paradox, the oxygen paradox

and ischemia/reperfusion injury. J Mol Cell Cardiol 1984; 16: 96985.

4. Suyatna FD. Radikal bebas dan iskemia. Cermin Dunia Kedokt 1989; 57:

Cermin Dunia Kedokteran No. 102, 1995 35