BAB II
KAJIAN PUSTAKA
2.1 Tendon
Tendon merupakan salah satu bagian dari sistem muskulotendinous.Tendon menghubungkan otot ke tulang dan memindahkan kekuatan (force) dari otot ke tulang sehingga menghasilkan gerakan sendi (Woo et al., 2000).
2.1.1 Anatomi Tendon
Secara makroskopis tendon yang sehat berwarna putih mengkilat dan mempunyai tekstur fibroelastik. Tendon mempunyai bentuk yang bervariasi, dapat berbentuk bulat seperti tali, pipih seperti sabuk atau pita. Tendon terdiri dari 30% kolagen, 2% elastin, dan 68% air dan sel-sel tenosit yang terdapat dalam matriks ekstraseluler. Kolagen utama yang terkandung dalam tendon adalah kolagen tipe I (86% berat kering) (Nicola et al., 2005). Asam amino yang terdapat dalam konsentrasi tinggi didalam kolagen antara lain Glisin (33%), prolin (15%), hidroksiprolin (15%), dan hidroksilisin (1.3%). Hampir dua per-tiga dari struktur utama rantai kolagen terdiri dari 3 asam amino, yaitu glisin, prolin, dan hidrosiprolin (O’Brien, 2005).
2.1.2 Kolagen
2.1.2.1 Struktur Kolagen
Protein-protein yang berhubungan erat dalam kelompok kolagen merupakan serat-serat komponen yang utama dari jaringan ikat dan protein ekstraseluler terbesar dalam tubuh manusia. Pada tendon manusia, serat kolagen membentuk bagian terbesar dari matriks ekstraseluler dan terdiri dari kira-kira 30% persen berat kering tendon. Bagian terbesar kolagen di tendon tersimpan sebagai ikatan besar dengan serat yang dibentuk oleh fibril dengan arah yang teratur dan disusun dengan cara berurutan, yang menghasilkan pola garis silang yang dapat dilihat dengan mikroskop elektron. Garis silang secara jelas nampak seperti pita berurutan dengan jarak perbagian kira-kira 70nm.
GAMBAR 2.1 Mikrograf elektron serat kolagen menunjukkan
Bentuk dasar kolagen yaitu kolagen tipe I, merupakan kolagen terbanyak di tendon dan banyak pada jaringan ikat lain. Molekul kolagen tipe I mempunyai berat molekul rata-rata 290 kd dan mengandung 3 rantai polipeptida, masing-masing rata-rata 94 kd. Ketiga polipeptida ini diketahui sebagai rantai α, yang masing-masing melingkari rantai lainnya seperti untai tali sehingga molekul kolagen mempunyai struktur triple helix. Hal ini membuat molekul kaku, bentuk seperti batang dengan dimensi rata-rata 1,5 x 300 nm.
Gambar 2.2
Gambaran struktur kolagen tipe I. serat kolagen (I), dimana pada mikroskop elektron nampak sebagai periodisitas yang berurutan (lihat gambar 2.1), yang tersusun oleh molekul-molekul kolagen membentuk susunan empat garis yang teratur (II). Masing-masing molekul kolagen tipe I memiliki struktur seperti batang dengan panjang sekitar 300 nm (III) terdiri dari tiga polipeptida tunggal, yang dikenal dengan rantai
α, yang saling melingkari membentuk simpul dalam suatu triple helix dengan arah ke kanan (IV). Masing-masing rantai terdiri dari asam amino dengan urutan Gly-X-Y yang berulang (V); seperti yang dikatakan, posisi X seringkali ditempati oleh residu prolil, dan posisi Y seringkali ditempati oleh residu 4-hidroksiprolyl. Rantai α tunggal mempunyai struktur sekunder helix ke kiri dengan puncak 0,95 nm.
Struktur spesial dari kolagen triple helix digambarkan oleh komposisi asam amino yang tidak biasa pada rantai α. Khususnya, masing-masing rantai α pada kolagen tipe I mempunyai rata-rata 1000 asam amino dan glicine (Gly), asam amino terkecil, tercatat rata-rata 1/3 dari total asam amino, terdistribusi merata pada bagian kolagenus dari polipeptida. Oleh karena itu rantai polipeptida pada kolagen dapat digambarkan seperti triplet (Gly-X-Y). Posisi X dan Y pada susunan berurutan dapat ditempati oleh asam amino yang bervariasi tetapi posisi X biasanya ditempati oleh prolin dan posisi Y oleh hidrosiprolin. Asam amino ini berjumlah rata-rata 22% dari total komposisi asam amino kolagen tipe I. Secara relatif isi dari asam amino dan distribusi glisin pada tiap tiga posisi penting untuk penyesuaian triple helix dari molekul kolagen dan hidroksiprolin memegang peranan dalam stabilisasi triple-helix pada suhu tubuh. Penyesuaian triple-helix memberikan sifat unik pada kolagen dan perlu untuk fibrillogenesis yang normal. Mutasi dapat mempengaruhi kestabilan triple-helix stabil dan mencegah pembentukan serat kolagen. Hal ini akan menghasilkan kerusakan serius jaringan ikat dan spektrum klinis fenotip.
Kolagen yang menyusun tendon tersusun secara berjenjang, dimulai dari tropokolagen, yang merupakan rantai polipeptida berbentuk triple helix.
Tropokolagen yang menyatu membentuk fibril, kemudian membentuk fiber (primary bundle), fasikel (secondary bundle), fasikel (tertiary bundle) dan yang terakhir menjadi tendon. Lapisan yang membungkus fasikel terdiri dari endotenon, epitenon, dan paratenon. Epitenon merupakan jaringan ikat longgar yang halus yang melapisi tendon dan membawa pembuluh darah, limfatik, dan saraf. Endotenon adalah membatasi fasikel yang satu dengan yang lain. Sedangkan paratenon merupakan lapisan terluar yang melapisi seluruh tendon (Sharman, 2005)
Gambar 2.3 Anatomi dari Tendon Normal
2.1.2.2 Pembentukan Kolagen
Proses pembentukan kolagen dibagi menjadi tahap intraseluler, sekresi prokolagen dari intraseluler ke ekstraseluler dan tahap extraseluler (Vitto et al., 2005).
1. Tahap intraseluler
a. Rantai polipeptida α dibentuk poliribosome, kemudian dibawa ke retikulum endoplasma kasar oleh fibroblas. Dari rough endoplasmic retikulum (RER) masuk ke dalam sisterna sebagai preprokolagen. Hasil translasi awal ini preprokolagen mengandung sekuen signal amino terminal.
b. Pemotongan signal peptide yang berasal dari massanger fibronuclei acid (mRNA).
c. Proses hidroksilasi residu prolin dan lisin.
Hidroksilasi sisa-sisa prolin menjadi hidroksiprolin dikatalisis oleh enzim prolin hidroksilase dan membutuhkan vitamin C sebagai kofaktor-nya. Hidroksiprolin dibutuhkan untuk mengikat rantai-rantai α membentuk triple helix. Tanpa adanya hidroksiprolin polipeptida-polipeptida kolagen tidak akan membentuk struktur triple helix pada kondisi fisiologis, dan tidak akan dihasilkan serat kolagen pada ruang ekstraseluler.
Enzim lisil hidroksilasi berperan dalam hidroksilasi lisin menjadi hidroksilisin dan memerlukan vitamin C sebagai kofaktor. Hidroksilisin berperan sebagai tempat perlekatan untuk residu gula dan penting untuk pembentukan cross link yang menstabilisasi matriks kolagen ekstraseluler.
d. Proses Glikosilasi
Pada proses ini terjadi perlekatan sisa-sisa galaktosil dan glukosil pada sisa hidroksilisin yang spesifik.
e. Pengaturan rantai dan ikatan disulfida
Tahap ini berfungsi untuk memfasilitasi pembentukan triple helix. f. Pembentukan triple helix.
Langkah penting pada biosintesis prokolagen intraseluler adalah gabungan tiga rantai α yang saling melingkar membentuk triple helix (prokolagen). Hidrosiprolin pada proses ini berperan menstabilisasi ikatan triple helix yang terbentuk.
2. Tahap sekresi prokolagen dari intraseluler ke ekstraseluler. 3. Tahap ekstraseluler.
a. Pemutusan peptida non-helix oleh spesifik protease (prokolagen peptidase) sehingga menghasilkan tropokolagen.
b. Pembentukan fibril
c. Pembentukan cross link.
Struktur fibril diperkuat dengan cara membentuk kovalen cross link antar molekul tropokolagen yang telah terbentuk. Proses ini dikatalisa oleh enzim lisin oksidase dengan melibatkan hidroksilisin. Fibril-fibril kolagen yang telah diperkuat dengan cara membuat cross link kemudian akan membentuk serat kolagen.
Gambar 2.4 Sintesa kolagen tipe I (Mc Gray-Hill, 2006)
2.1.3 Elastin
Fungsi elastin adalah menjamin fleksibilitas dari tendon. Elastin tidak mengandung hidroksiprolin atau hidroksilisin dalam jumlah banyak, tapi kaya akan glisin dan prolin. Valine, desmosine, isodesmosine juga terdapat dalam jumlah yang banyak dan berfungsi membentuk ikatan silang antara rantai polipeptide. Elastin tidak membentuk struktur helik dan bersifat hidrophobik dan memiliki panjang rata-rata 1um (O’brien, 2005).
2.1.4 Sel
Tipe sel yang terdapat pada tendon adalah tenosit dan tenoblas (fibroblas). Bentuk dari tenosit bervariasi, dapat berbentuk pipih (flat), runcing, spindle longitudinal, dan stellate yang terlihat pada potongan melintang. Tenosit berjajar terdapat dalam jumlah yang sedikit diantara fibril-fibril kolagen. Tenoblas berbentuk spindle atau stellate, runcing dengan inti pipih yang bersifat eosinopilik. Tenoblas bersifat motil dan berproliferasi sangat tinggi. Tenoblas memiliki retikulum endoplasma kasar yang berkembang dengan sangat bagus dan merupakan tempat untuk sistesis prekursor polipeptida kolagen, elastin, dan proteoglikan (O’brien, 2005).
2.1.5 Bahan Dasar (ground substance)
Bahan dasar adalah campuran yang komplek dari proteoglikan dan glikoprotein yang mengelilingi serat-serat kolagen. Bahan dasar ini memiliki viskositas yang
tinggi yang berfungsi sebagai penyokong struktur, lubrikasi, dan menjaga jarak antara serat-sarat kolagen yang penting untuk gliding tendon. Bahan dasar ini merupakan media untuk pertukaran makanan, gas, dan mengatur perubahan prokolagen menjadi kolagen pada ekstraseluler. Bahan dasar terdiri dari 60-80% air, proteoglikan dan glikoprotein kurang dari 1% berat kering tendon. Proteoglikan dan glikoprotein juga berperan didalam pembentukan fibril dan fiber kolagen. Kebanyakan proteoglikan tersusun menyilang kolagen pada posisi 90˚ dan masing-masing molekul proteoglikan dapat berinteraksi dengan 4 molekul kolagen. Proteoglikan juga tersusun secara acak pada posisi paralel dengan serat-serat kolagen. Matriks diganti dan diremodeling secara konstan oleh fibroblas dan dirusak oleh enzim kolagenase, proteoglikanase, glikosaminoglikanase, dan protease yang lainnya (O’brien et al., 2005).
Proteglikan dan glikoprotein terdiri dari dua komponen, yaitu glikosaminoglikan (GAG) dan struktur glikoprotein. Proteoglikan utama dalam tendon yang dihubungkan dengan glikosaminoglikan adalah dermatan sulfat, hyaluronat sulfat, chondroitin 4-sulfat, dan chondroitin 6-sulfat. Proteoglikan lain yang ditemukan didalam tendon adalah bigycan, decorin, dan aggrecan. Aggrecan adalah chondroitin sulfat yang membawa proteoglikan dalam jumlah yang banyak pada daerah tendon yang banyak mengalami regangan. Proteoglikan terutama terdiri dari protein fibronektin. Fibronektin nonkolagenous glikoprotein yang terdapat di ekstraseluler dengan berat molekul yang tinggi. Fibronektin berperan penting dalam perlekatan sel (sel ke sel, sel ke substrat) dan migrasi sel. Fibronektin penting untuk
penyatuan fibril-fibril kolagen tipe I dan kolagen tipe III menjadi bundle dan bertindak sebagai template untuk pembentukan serat-serat kolagen selama fase remodeling.
Hyaluronate adalah matriks glikosaminoglikan dengan berat molekul yang tinggi, berinteraksi dengan fibronektin untuk membuat penghubung pada migrasi sel. Integritin adalah matriks ekstraseluler yang mengikat protein dengan reseptor spesifik di permukaan sel. Aggrecan dan biglycan terdapat dalam jumlah yang besar pada daerah-daerah mengalami kompresi dan regangan (O’brien, 2005).
2.2 Kerusakan kolagen
Produksi kolagen dapat dipengaruhi oleh banyak faktor, antara lain keturunan, nutrisi, kelainan kongenital, supply pembuluh darah, hormon, dan obat-obatan. Penyakit kelainan kolagen dapat dijumpai pada osteogenesis imperfecta, Ehlers-Danlos, scurvy, dan progessive systemic sclerosis. Atropi otot dan tendon yang dapat menyebabkan kandungan kolagen menurun dapat terjadi bila supply pembuluh darah ke tendon terputus. Aktivitas yang menurun atau tidak adanya aktivitas dapat menyebabkan kerusakan kolagen dan menurunnya kekuatan tendon. Sebaliknya pada latihan fisik atau olah raga yang teratur akan menyebabkan sistesis, jumlah, dan ukuran fibril kolagen akan meningkat. Pemakain obat-obatan dapat mempengaruhi sintesis kolagen. Kortikosteroid menghambat produksi kolagen yang baru. Sedangkan pemberian insulin, estrogen, dan testosteron meningkatkan produksi
kolagen. Pada defisiensi vitamin C didapatkan hidroksiprolin dalam jumlah yang banyak di urine yang mengakibatkan terjadinya kerusakan kolagen. Salah satu obat-obatan yang dapat merusak tendon yang banyak digunakan adalah ciprofloxacin (O’brien, 2005).
Table 2.1 Penyakit Sistemik yang Menyebabkan Gangguan pada Tendon
No Penyakit Kerusakan stuktur atau efek pada tendon
1 Ochronosis Defisiensi ikatan silang pada kolagen dan elastin 2 Aspartyl gycosaminuria
(AGU)
Defisiensi atau tidak normalnya cross-link pada kolagen
3 Haemochromatosis Akumulasi besi (iron) dalam matrik
4 Menkes kinky hair syndrome
Kerusakan ikatan silang pada kolagen dan elastin
5 Mucopolysacharidoses Tidak normalnya fibril kolagen, meningkatnya GAG
6 Marfan Syndrome Tidak normalnya fibril kolagen
7 Ehlers-Danlos syndrome Gangguan proses pembentukan dan struktur kolagen
8 Osteogenesis imperfecta Defek genetik pada kolagen tipe I
9 Lipid strorage diseases Meningkatnya deposit lemak
10 Diabetes mellitus Meningkatnya ikatan silang kolagen
11 Penyakit kelenjar adrenal Gangguan metabolisme kolagen 12 Penyakit kelenjar tiroid Kalsifikasi dan penumpukan kolagen
2.2.1 Kerusakan Kolagen yang Diinduksi Ciprofloxacin.
Banyak faktor yang berperan dalam patogenesis terjadinya kerusakan kolagen yang disebabkan oleh pemberian ciprofloxacin baik pada manusia maupun binatang percobaan. Pada fase awal pemberian ciprofloxacin terjadi reaksi inflamasi di dalam ataupun disekitar tendon. Hal ini merangsang fibroblas untuk memproduksi sitokin inflamasi, salah satunya adalah IL-1 β, yang kemudian merangsang pelepasan MMP-1 pada level mRNA dan protein (Riley, 2003). Aktivitas MMP-MMP-1 yang meningkat akan menyebabkan kerusakan triple helix maupun kolagen ekstraseluler. Kolagenase interstitial (MMP-1) akan membelah secara spesifik rantai α1(I) pada ikatan glycine-isoleucine dan rantai α2 pada ikatan glysin-leucine. Kerusakan pada triple helix akan berakibat produksi kolagen terutama kolagen tipe 1 akan berkurang disertai diameter serat kolagen yang berkurang (Vitto et al., 2008). Akibat berkurangnya produksi kolagen maka sel fibroblas akan berusaha mempertahankan hemostatis tendon dengan cara meningkatkan produksi bahan-bahan dasar seperti proteoglikan dan glikosaminoglikan diantara serat-serat kolagen dimana secara mikroskopik terlihat sebagai gambaran degenerasi mukoid. Pada degenerasi mukoid ditemukan vakuola degenerasi dengan ukuran besar terdapat diantara serat-serat kolagen dimana vakuola ini kaya akan bahan-bahan granular, seperti proteoglikan dan glikosaminoglikan. Pendapat lain menyatakan bahwa pada fase awal pemberian ciprofloxacin dapat memicu terbentuknya ROS. Senyawa inilah yang memiliki peranan menginduksi enzim yang mendegradasi kolagen yaitu MMP-1 ( Corps et al., 2005).
Kerusakan kolagen yang ditimbulkan oleh ciprofloxacin apabila diperiksa secara histopatolagi menunjukan produksi kolagen tipe I yang berkurang, ukuran diameter serat-serat kolagen berkurang (Shakibaei dan stahlmann, 2003). Selain itu juga terlihat proses hialinisasi dari bundel kolagen yang disertai dengan tidak teraturnya arah bundel kolagen. Yang paling khas adalah proses degenerasi mukoid (mucoid degeneration) pada serat-serat kolagen. Akibat proses degenerasi ini menyebabkan tensile strength dari tendon menurun sehingga mudah mengalami ruptur (Olcay et al., 2011).
2.3 Vitamin C
Vitamin C atau disebut juga asam askorbat berperan sebagai suatu kofaktor dalam sejumlah reaksi hidroksilasi dan amidasi dengan memindahkan elektron ke enzim yang ion metalnya harus berada dalam keadaan tereduksi, dan dalam keadaan tertentu juga bersifat sebagai antioksidan (Rosmiati dan Wardhini, 1995). Vitamin C dibutuhkan untuk mempercepat perubahan residu prolin dan lisin pada prokolagen menjadi hidroksiprolin dan hidroksilisin pada sistesis kolagen intraseluler. Hidroksiprolin yang terbentuk mempunyai peranan penting dalam stabilisasi ikatan triple helix yang terbentuk, sedangkan hidroksilisin berperan dalam stabilisasi ikatan cross link pada kolagen ekstraseluler (O’Brien, 2005).
Selain sebagai kofaktor vitamin C juga berfungsi sebagai antioksidan untuk menghambat diproduksinya ROS yang ditimbulkan oleh pemberian ciproflaxacin.
Reactive Oxidative Stress yang dihambat akan menyebabkan penurunan IL-1β. Akibat penurunan IL-1β maka MMP-1 yang dihasilkan oleh fibroblas juga menurun sehingga menyebabkan degradasi kolagen berupa degenerasi vakuola juga menurun.
Gambar 2.5 Struktur Kimia Vitamin C
