Cermin Dunia Kedokteran

Lipid A - Pusat Aktif Endotoksin,

Struktur Kimia dan

SIL PENELITIAN

Bioaktivitasnya

Hendig Winarno

Pusat Aplikasi Isotop dan Radiasi - BATAN, Jakarta

Lipopolisakanida (LPS) atau lebih dikenal dengan nama

endotoksin, adalah suatu senyawa kompleks yang terdapat pada

dinding sel bakteri gram negatif. Senyawa tersebut dapat me-

nyebabkan berbagai penyakit, misalnya demam, kolera, tetanus,

lethal shock, tekanan darah rendah, menurunnya sel darah putih,

dan lain sebagainya. Di samping mempunyai efek yang merugi-

kan bagi manusia, endotoksin juga mempunyai efek yang ber-

guna, yaitu untuk meningkatkan daya tahan tubuh terhadap

infeksi (menghasilkan antibodi) yang disebabkan oleh bakteri

atau virus dan membunuh sel kanker

(1)

Gambar 1 menunjukkan dinding sel bakteri gram negatif

yang te iri dari lapisan luandan lapisan dalam. Pada lapisan luar

terdapat LPS, protein, lipoprotein, dan

mengandung gula, sedangkan lapisan

dan Iipoprotein Untuk mengetahui bagaimana endotoksin

mempunyai dua fungsi yang berlawanan, beberapa peneliti ter-

utama di Institut Penelitian Borstel dan Institut Max Planck

untuk Imunologi (German), Fak. MIPA Univ. Osaka (Jepang),

ckeffeler (U

ubu annya dengan identifikasi struktur dan

rtanggung jawab terhadap endotoxin activi-

am negatif di dalam tubuh. Penelitian dititik

beratkan pada isolasi endotoksin dan komponennya dan bakteri

Salmonella (typhimurium, minnesota) dan Eschericia (coli),

sintesis endotoksin secara sebagian maupun total, serta uji bio-

aktivitasnya.

Pada dasarnya LPS terdiri dari dua bagian utama, yaitu

bagian polisakarida dan bagian lipid (Gambar 2). Bagian poli-

sakarida merupakan rangkaian dan berbagai macam gula, yang

dib

lagi menjadi 3 segmen, yaitu segmen rantai O-spesifik

(dibentuk oleh sedikitnya 3 rangkaian gula yang berulang).

egmen ini merupakan segmen yang sangat bervariasi dan mem-

erikan efek kekebalan yang spesifik. Berikutnya adalah segmen

er core dan inner core yang merupakan oligosakarida yang

inner core ini mempunyai su-

n (heptose) dan 8 atom karbon

yang unik yang disebut dengan Kdo (asam 3-deoksi-D-manno-2-

oktulosonat). Bagian lipid terdiri dari glukosamin backbone,

fosfat, dan asam lemak. Bagian lipid ini selanjutnya kenal

dengan nama lipid A.

dan Universitas Ro

khususnya dalam h

komponen yang be

ties dan bakteri gr

PENDAHULUAN

Endotoksin

molekul lain yang banyak

dalam terdiri dari protein

relatif tidak bervariasi. Segmen

sunan gula dengan 7 atom karbo

SA) telah melakukan penelitian

agi

out

ABSTRAK

Studi tentang bioaktivitas endotoksin dan lipid A serta penentuan struktur lipid A

telah dilakukan oleh para peneliti di berbagai negara, terutama di Jepang, Jerman, dan

ndekat

s m

g sa

aka

wab terh

Amerika Serikat. Pe

struktur lipid A sintetik

dan Escherichia coli natu

bertanggung ja

an sintesis dan pengujian bioaktivita

enunjukkan bahwa

yang diusulkan mempunyai aktivitas yan

ma dengan lipid A

ral. Diketahui pula bahwa lipid A merup

n active centre dan

adap endotoxin activities bakteri gram

gatif. Selanjutnya,

pengujian bioaktivitas t

, m

asam lemak yang terikat

ntin

eri g

s dan

aku

S si

erhadap berbagai analog lipid A sintetik

enunjukkan bahwa

pada lipid A mempunyai peranan yang pe

g terhadap aktivitas

ram negatif. Studi tentang imunogenisita

antigenisitas lipid

kan dengan menggunakan lipid A atau LP

ntetik bertanda

endotoksin dan bakt

A atau LPS dapat dil

Cermin Dunia Kedokteran No. 103, 1995 59

Gambar 1. Bakteri gram neg

(1)

atif dan irisan dinding sel yang dilihat secara mikrograf

uri

Gambar 2. Struktur kimia Lipopolisakarida dan bakteri Salmonella typhim

Keterangan :

= gula

P = fosfat

Kdo

asam

3-deoksi-D-manno-2-oktulosonat

Lipid A Escherichia coli

Pada tahun 1954, Westphal dan Luderitz telah mengisolasi

bagian lipofilik dan LPS yang dikenal dengan nama lipid A

dengan cara menghidrolisis bakteri pada kondisi asam. Sejak saat

itu, penelitian mengenai bioaktivitas LPS difokuskan pada lipid

(2)

Struktur kimia lipid A dan berbagai spesies bàkteri pada

dasarnya adalah identik, berisi D-glukosamin disakarida back-

bone yang dihubungkan dengan ikatan -( 1>6), yang mengan-

dung residu fosfat pada posisi 1 dan 4' dan residu asam lemak

pada gugus B-amino dan gugus hidroksil-3

(3)

. Struktur lipid A

dan Eschericia coli Re-mutan adalah seperti struktur I, yaitu 2-

deoksi- 6O- {2-deoksi-2-[(R)-3-dodekanoiloksitetradekanoil-

amino] - 3 - O - [(R)-3-tetradekanoiloksitetradekanoil]--D-

glukopiranosil} - 3 O - [(R)-3-hidroksitetradekanoil]-2-[(R)-

3-hidroksitetradekanoilamino] - D - glukopiranosa 1,4'-

bis(fosfat)

(4,5)

. Struktur tersebut telah dibuktikan melalui isolasi

dan pendekatan sintesis total LPS. Selanjutnya, berbagai uji bio-

aktivitas terhadap analog lipid A sintetik telah dilakukan.

Gambar 3. Struktur lipid A LPS dari Escherichia coli

Untuk membuktikan kebenaran struktur lipid A LPS dari

Escherichia coli yang diusu1kan maka dilakukan uji bioaktivi-

tas terhadap lipid A sintetik dan lipid A natural dari Escherichia

co1i

(6,7)

(Tabel 1). Selain itu, kedua sampel tersebut juga dianali-

sis menggunakan NMR dua dimensi.

Hasil pengujian tersebut menunjukkan bahwa kedua sampel

tersebut mempunyai aktivitas endotoksin yang sama. Dengan

demikian, struktur lipid A Escherichia coli yang diusulkan oleh

Imoto et al.

(4)

menuju pada arah yang benar.

Tabel 1. Aktivitas endotoksin dan lipid A sintetik dan lipid A natural E.

Coli

(6,7)

Lipid A yang diperlukan

untuk aktivitas endotoksin

(µg)

PEMBAHASAN

Jenis tes endotoksisitas

yang dilakukan

Jenis

hewan

percobaan Lipid A E. coli

sintetik

Lipid A E. coli

natural

Toksisitas letal (LD )

man lokal

mendorong

toleransi endotoksin terhadap

LPS dari

(10 ng/ml prostaglandin E

Tikus

Kelinci

Tikus

0,01

12,5

0,01

12,5

Respon terhadap demam

Kelinci

0,04

Reaksi Shwartz

Kemampuan

Salmonella abortus

equi

Mitogenisitas B-limfosit

Aktivasi Machropage

Tikus

terlepas)

* Tes

Gambar 1 dan Tabel 2.

toksisitas letal dalam tikus yang disensitifkan dengan galaktosamin

Sejalan dengan penentuan struktur lipid A, uji bioaktivitas

lipid A dan LPS juga dilakukan. Dari pengujian tersebut diketahui

bahwa lipid A merupakan active centre dan endotoxin activities

da i bakteri gram negatif Kemudian berbagai analog lipid A

dengan berbagai variasi asam lemak dan fosfat-pun telah disin-

tesis

(2,4,8)

. Di antara hasil sintesis lipid A tersebut disajikan pada

Gambar 4. Struktur kimia analog lipid A (lihat Tabel 2)

Tabel 2. Lipid A sintetik

No. Senyawa

1 505 C

-O-C

C,,--O-C,,

14-

-01-1

PO(OH)

2 504 C

-O-C

,47

0-C

,1 C

-0H C

-0H

)

PO(OH

3 503 C

-O-C

C,4 OH C

-OH

H H

4 LA-24-PP

-OH C

PO(OH)

5 LA-23-PP

CIO PO(OH) PO(OH)

6 403 C

-OH C

14-OH C,,-OH

7 404 C

-OH C

-0H C

-OH

H PO(OH)

8 405 C

-OH C

-0H

OH C

, OH PO(OH)

406

-0H

-OH C

OH C

-OH PO(OH)

PO(OH)

10 400 C

. OH

-0H C

-OH C

OH PO(OH)

PO(OH)

Keterangan:

Lihat struktur pada Gambar 4

: dekanoil

OH : (R)-3-hidroksidekanoil

OH : (R)-3-hidroksitetradekanoil

OC

: (R)-3-tetradekanoiloksitetradekanoil

Dari perkembangan terakhir mengenai uji bioaktivitas ber-

bagai analog lipid A sintetik yang mengandung asam lemak

dengan jenis dan jumlah atom karbon yang bervariasi, diketahui

bahwa residu asam lemak yang terkandung pada lipid A mem-

punyai peranan yang penting terhadap bioaktivitas LPS di dalam

tubuh

(9-11)

Kenyataan tersebut memberikan dorongan untuk m ndesain

log lipid A jenis lain. Diharapkan, pengujian bioaktivitas se-

nyawa analog baru tersebut dapat memberikan tambahan penge-

tahuan tentang peranan residu asam lemak yang terikat pada lipid

A terhadap endotoxic activities LPS dan bakteri gram negatif.

Meskipun berbagai analog lipid A telah disintesis dan diuji

bioaktivitasnya, namun para peneliti masih belum dapat meng-

ungkapkan peranan lipid A dan komponen penyusunnya ter-

ana

hadap imunogenisitas dan antigenisitasnya yang berhubungan

dengan structure activity & structure function relationships dari

lipid A pada tingkat molekuler. Wright et al. yang dikutip oleh

Rietschel et al.

(1)

mengemukakan bahwa di dalam darah, LPS

akan berikatan dengan molekul bersirkulasi yang disebut dengan

LBP (lipopolysaccharide-binding protein) dan membentuk

kompleks LPS-LBP. Selanjutnya kompleks LPS-LBP tersebut

bergandengan dengan reseptor yang dikenal dengan nama CD 14

pada permukaan makrofag.

Untuk mempelajari lebih lanjut mengenai peranan kompo-

Cermin Dunia Kedokteran No. 103, 1995 61

Cermin Dunia Kedokteran No. 103, 1995

nen lipid A dan strukturnya terhadap aktivitas endotoksin, telah

dicoba sintesis lipid A bertanda

(12)

. Diharapkan, dengan adanya

lipid A bertanda

C tersebut, misteri tentang aktivitas lipid A

dapat diungkapkan. Oleh karena itu usaha-usaha untuk mem-

pelajari strategi sintesis, khususnya radiosintesis perlu dikem-

bangkan untuk mendapatkan metode yang praktis dan efisien.

KESIMPULAN

Melalui isolasi, pendekatan sintesis, dan perbandingan bio-

aktivitas lipid A sintetik dan lipid A natural dari Escherichia coli,

serta analisis menggunakan NMR 2 dimensi, maka struktur lipid

A Escherichia coli secara pasti dapat ditentukan.

Hasil pengujian bioaktivitas lipid A menunjukkan bahwa

lipid A merupakan active centre dan bertanggungjawab terhadap

endotoxin activities dan bakteri gram negatif.

Asam lemak yang terikat pada lipid A mempunyai peranan

yang penting terhadap aktivitas endotoksin dan bakteri gram

ogenisitas dan

id A atau LPS perlu disintesis lipid A atau

amoto T, Kusumoto S, Shiba

isaccharide structure. Bull. Chem. Soc. .Jpa

Webb DR. Immunopharmacology and the regulation of leukocyte function,

Marcel Dekker, New York, 1982, hal. 183.

4. Imoto M, Kusumoto S, Shiba T, Rietschel ET, Galanos C, Ludentz 0.

Chemical structure of Escherichia coli lipid A, Tetrahedron Lett. 1985; 26:

907.

5. Imoto M, YoshimuraH, ShimainotoT, Sakaguchi S, Kusumoto S, ShibaT.

Total synthesis of Escherichia coli lipid A, the endotoxically active prin-

ciple of cell-surface lipopolysaccharide. Bull. Chem. Soc. Jpn. 1987; 60:

2205.

6. Galanos C, Luderitz 0, Rietschel TH et a!. Biological activities of tural

and synthetic lipid A's with different fatty acid compositions. Eur. J.

Biochem. 1985; 148: 1.

ity relationship

of lipid A: Comparison of biological activities of natural and synthetic lipid

A's with different fatty acid compositions. J. Biochem. 1986; 99: 1203.

f lipid A analogs containing various fatty acids,

daPresentasi Ilmia1 Hasil Studi Program Magister

ngatan

g Tahun BATA

XXV

akarta,

-22

994

isalah d

proses penerb

n-induced

inter

stru

res

per

l b

991

: 46

elease

lip

inhibit binding o

Per

, M

gel SN. In

earl

e ex

with differing

Aok

ynt

ies

rad

lled

e Ed., Osaka 1994 (In Japanese).

negatif.

Untuk mengetahui lebihjauh mengenai imun

antigenisitas suatu lip

LPS

bertanda C.

KEPUSTAKAAN

1. Rietschel ET, Brade H. Bacterial endotoxins, Scient Amer 1992; 267: 26.

2. Imoto M, Yoshimura H, Yamamoto M, Shim

T. Chemical synthesis of a biosynthetic precursor of lipid A with a

phosphorylated tetraacyl d

1987; 60: 2197.

7. Kanegasaki S, Tanamoto KI, YasudaT et al. Structure-activ

8. Winarno H. Synthesis o

BATAN. Disampaikan pa

alam Rang

esember 1

Peri

. (R

Ulan

alam

N X

itan)

I, J

ng M Flad HD, Feist W et al. Inhibition of endotoxi

leuki 6 productio by synthetic lipid A partial

ctu

in human

55.

iphera lood mono

Fei

uclear cell

. Infect. Immun. 1

; 59

0. Ulmer AJ,

st W

ine H et

onocytes by

a!. Modu

tion f endotoxin-induced

monokine r

in hu

n m

id A artial stru tures that

f ° Inf t. Iminun 1992; 60: 5145.

era PY

anthey C , Stutz PL Hildebrandt J, Vo

duction of

A a

y gen

pression in

murine m

crophages

by synt

hetic lipid

nalo

e doto

po entials

In ct. I

m n. 19

93; 61: 2

15.

12.

i Y. S

iolabe

hetic stud

compoun

the ac

MasterTh

ivi es of c

sis, Osaka

om lex

Univers

ipid A an

ity, Gradu

logs usin

ate School

of Scienc

Cermin Dunia Kedokteran No. 103, 1995