DEPARTEMEN ILMU KESEHATAN MATA
FAKULTAS KEDOKTERAN UNIVERSITAS PADJADJARAN PUSAT MATA NASIONAL RUMAH SAKIT MATA CICENDO BANDUNG
Sari Kepustakaan : Reactive Oxygen Species dan Antioksidan pada Mata Penyaji : Gabriella Graziani
Pembimbing : dr. R. Maula Rifada, SpM(K)
Telah diperiksa dan disetujui oleh Pembimbing
dr. R. Maula Rifada, SpM(K)
Kamis, 15 Oktober 2020 Pukul 07.30 WIB
I. Pendahuluan
Kerusakan oksidatif dapat terjadi pada semua sel di dalam tubuh selama ada oksigen bebas. Tubuh memproduksi reactive oxygen species (ROS) secara endogen untuk berperan dalam respon inflamasi. Pada proses respirasi sel dapat terjadi reduksi parsial molekul oksigen melalui reaksi transpor elektron yang akan menghasilkan ROS. Faktor lingkungan seperti pajanan sinar ultraviolet dan zat nikotin pada rokok juga dapat memicu produksi ROS. Tubuh akan mengaktifkan sistem pertahanan antioksidan untuk menghambat reaksi oksidasi. Keseimbangan ini harus dijaga agar tidak terjadi stres oksidatif pada tingkat seluler 1–3
Stres oksidatif pada membran sel akan menyebabkan peningkatan permeabilitas dan akan menghambat pompa ion membran. Hal ini akan menyebabkan malfungsi dan kematian sel. Kondisi stres oksidatif juga dapat menyebabkan kerusakan pada Deoxyribonucleic Acid (DNA) sel yang akan berakhir pada kematian sel melalui proses apoptosis. Stres oksidatif berkaitan dengan patogenesis berbagai penyakit mata degeneratif salah satu contohnya adalah katarak.1,4
Struktur yang unik dari lensa juga turut berpengaruh terhadap kerusakan oksidatif yang ditimbulkan. Sel serat lensa superfisial mensintesis protein mulai dari masa embrio dan bertahan di bagian dalam lensa sampai seumur hidup. Kerusakan yang terakumulasi di dalam lensa menyebabkan penurunan aktivitas enzim, sehingga menyebabkan perubahan struktur kristalin lensa, protein sitoskeletal, dan struktur enzim yang kemudian akan meningkatkan kecenderungan agregasi protein lensa.5,6
Tujuan dari sari kepustakaan ini adalah untuk memahami tentang biokimia ROS dan mekanisme antioksidan pada mata.
II. Reactive oxygen Species (ROS) dan Stres Oksidatif
Radikal bebas adalah atom atau sekelompok atom yang memiliki elektron bebas dan bersifat reaktif terhadap atom lain. Reactive Oxygen Species (ROS) merupakan radikal bebas turunan oksigen yang paling banyak terdapat pada mata termasuk pada mata. Mata dapat menghasilkan ROS secara endogen maupun eksogen. Sekelompok atom
yang termasuk dalam golongan ROS antara lain, superoksida (O2•-) hidrogen peroksida
(H2O2), hidroksil (OH•), singlet oksigen (1O2), peroksil (ROO•), peroksinitrit (ONOO
-), dan asam hipoklorit (HOCl).7–9
2.1.Sumber ROS
Secara fisiologis, glukosa yang masuk ke dalam sel akan diubah menjadi energi dalam bentuk molekul adenosin trifosfat (ATP) melalui proses glikolisis, siklus Krebs, dan transpor elektron pada mitokondria. Pada proses transpor elektron terdapat kemungkinan untuk terjadinya reaksi redoks oksigen yang tidak sempurna sehingga menghasilkan molekul superoksida yang kemudian diubah menjadi molekul hidrogen peroksida oleh bantuan enzim superoksida dismutase (SOD).3,8,10
Gambar 2.1Proses fagositosis
Dikutip dari : Kumar, dkk3
Proses respiratory burst, yaitu proses oksigen diubah menjadi spesies reaktif oleh sel fagosit, juga merupakan sumber ROS endogen. Terdapat tiga tahapan dalam proses fagositosis yaitu, tahap perlekatan mikroba pada membran sel fagosit, tahap penelanan
(engulfment) yang diikuti oleh pembentukan vakuola fagositik, dan tahap degradasi seperti terlihat pada gambar 2.1. Oksigen diubah menjadi superoksida dalam vakuola fagositik dengan bantuan enzim sitoplasmik oksidase yang kemudian diubah menjadi hidrogen peroksida. Hidrogen peroksida saja tidak dapat membunuh mikroba, sehingga membutuhkan bantuan enzim myeloperoksidase (MPO) untuk mengubahnya menjadi hipoklorit yang merupakan agen antimikrobial yang kuat. Hipoklorit akan menghancurkan mikroba melalui oksidasi protein dan lipid pada mikroba. Hidrogen peroksida juga diubah menjadi hidroksil yang menyebabkan modifikasi pada lipid, protein, dan asam nukleat sehingga dapat menghancurkan mikroba. Kadar zat besi (Fe) berkontribusi dalam produksi ROS melalui reaksi fenton yang mengubah hidrogen peroksida menjadi hidroksil. Asam amino arginin akan menghasilkan gas nitrogen monoksida (NO) dengan bantuan enzim nitric oxide synthase (NOS). Gas nitrogen monoksida bereaksi dengan superoksida untuk menghasilkan peroksinitrit yang berperan dalam degradasi mikroba3,11,12
Pajanan sinar ultraviolet dan rokok termasuk ke dalam faktor lingkungan yang dapat menginduksi pembentukan ROS pada mata. Kandungan nikotin pada rokok akan meningkatkan produksi nitrogen monoksida yang akan bereaksi dengan superoksida dan menghasilkan molekul radikal bebas yaitu, peroksinitrit. Pajanan sinar ultraviolet mengubah oksigen menjadi singlet oksigen yang dapat memicu oksidasi lipid dan protein sehingga akan meningkatkan produksi ROS pada mata dan menyebabkan stress oksidatif.1,10
2.2. Stres Oksidatif dan Kerusakan Oksidatif Tingkat Seluler
Stres oksidatif merupakan suatu kondisi dimana terjadi peningkatan pembentukan ROS atau menurunnya aktivitas antioksidan atau keduanya. Hal ini dapat menyebabkan kerusakan oksidatif pada struktur biomolekul seperti lipid, protein dan asam nukleat. Membran fosfolipid sangat rentan bereaksi dengan hidroksil yang akan menghasilkan lipid peroksida. Proses ini dimulai dengan tahap inisiasi, yaitu saat hidroksil berikatan dengan hidrogen pada membran fosfolipid seperti pada gambar 2.2. Kemudian
dilanjutkan dengan proses propagasi yang akan menginisiasi reaksi berantai yang menghasilkan peroksil (ROO•). Peroksil akan berikatan dengan membran fosfolipid lain dan membentuk lipid peroksida. Reaksi berantai ini akan berjalan terus menerus sampai terjadinya proses terminasi, yaitu saat dua molekul radikal bebas berikatan dan membentuk molekul yang stabil.Radikal bebas juga dapat bereaksi dengan timin pada nukleus dan mitokondria yang kemudian akan merusak untaian DNA. Kerusakan DNA tersebut mendasari mekanisme penyakit yang berhubungan dengan apoptosis sel, penuaan, dan keganasan.1,3,7,11,13
Gambar 2.2Proses peroksidasi lipid
Dikutip dari : Gaschler, dkk14
III. Antioksidan sebagai Mekanisme Pertahanan terhadap Radikal Bebas
Mata memiliki mekanisme pertahanan antioksidan untuk mencegah kerusakan oksidatif. Antioksidan memiliki tiga mekanisme kerja yaitu mengumpulkan molekul ROS yang sudah terbentuk, menghambat pembentukan ROS, dan menyingkirkan serta memperbaiki kerusakan oksidatif. Antioksidan terbagi menjadi antioksidan enzim dan antioksidan nonenzim. Mekanisme kerja antioksidan enzim adalah dengan memecah dan menyingkirkan radikal bebas. Beberapa enzim yang termasuk ke dalam kelompok antioksidan antara lain, superoksida dismutase (SOD), katalase (CAT), dan glutation peroksidase (GSH-Px). Enzim superoksida dismutase berperan sebagai katalis reaksi yang mengubah superoksida menjadi hidrogen peroksida. Selanjutnya hidrogen peroksida dapat diubah menjadi oksigen dan air melalui reaksi yang dikatalis oleh
enzim katalase. Jaras pentose fosfat merupakan sumber molekul nikotinamida adenosin dinukleotida hidrogen (NADH) untuk mereduksi glutation teroksidasi (GSSG) menjadi glutation tereduksi (GSH). Hidrogen peroksida diubah menjadi molekul air oleh GSH dengan bantuan enzim glutation peroksidase.8,11,12
Gambar 3.1Reaksi oksidan dan antioksidan
Dikutip dari : Brar, dkk1
Vitamin E, vitamin C, dan karotenoid termasuk ke dalam kelompok antioksidan nonenzim. Salah satu bentuk vitamin E yaitu alfa tokoferol, berfungsi sebagai pemutus rantai pembentukan lipid peroksida pada sel membran dengan bereaksi dengan peroksil. Reaksi ini akan menghasilkan lipid hidroksiperoksida dan tokoferoksil radikal yang relatif stabil. Vitamin C atau asam askorbat akan bereaksi dengan lipid radikal dengan tujuan untuk menghentikan reaksi berantai pembentukan lipid peroksida. Reaksi ini akan menghasilkan satu molekul askorbat dan satu molekul dehidroaskorbat yang kemudian akan diubah kembali menjadi askorbat dengan menambahkan dua elektron. Karotenoid akan bereaksi dengan singlet oksigen (1O
2) sehingga akan
menyebabkan disrupsi reaksi berantai lipid peroksida dan mencegah kerusakan lipid seluler. Skema mengenai mekanisme antioksidan dapat dilihat pada gambar 3.1.1,8,11
IV. Pengaruh Radikal Bebas pada Lensa
dan menyaring sinar ultraviolet. Peran lensa sebagai penyaring sinar ultraviolet mengakibatkan protein lensa mudah mengalami kerusakan dan dapat berkontribusi dalam proses terjadinya katarak. Bagian tengah lensa mengandung konsentrasi protein yang tinggi guna mencapai indeks refraksi yang dibutuhkan untuk membiaskan cahaya. Sel epitelium lensa yang berada pada bagian anterior berperan dalam pertumbuhan dan perkembangan lensa secara keseluruhan. Pada proses diferensiasi, sel epitelium lensa di bagian ekuator akan terdorong ke bagian tengah lensa dan semakin memipih seperti terlihat pada gambar 4.1. Respirasi seluler yang terjadi pada mitokondria menggunakan 90% dari seluruh oksigen yang didapatkan lensa dari humor akueous dan humor vitreous. Struktur lensa yang avaskular menyebabkan lensa berada pada kondisi hipoksia sehingga sebagian besar energi yang dihasilkan berasal dari glikolisis anaerob.15,16
Gambar 4.1Anatomi lensa mata
Dikutip dari : Dai, dkk16
Kadar oksigen yang rendah pada lensa mata tidak membuat lensa terhindar dari kerusakan oksidatif karena sebagian kecil glukosa akan melalui proses respirasi selular untuk menghasilkan 25% energi yang dibutuhkan lensa. Aktivitas metabolik lensa dapat menghasilkan radikal bebas yang kemudian menyebabkan kerusakan oksidatif
pada lensa. Kornea dan kamera okuli anterior yang berada pada anterior lensa berperan dalam absorpsi dan proteksi terhadap sinar ultraviolet. Namun masih ada sebagian sinar ultraviolet yang mencapai lensa yang kemudian diserap dan mengalami fotoeksitasi sehingga menghasilkan radikal bebas. 5,15,16
Lensa mata mengandung protein alfa kristalin yang berfungsi untuk menjaga bentuk protein lensa dalam posisi folded. Stress oksidatif menyebabkan hilangnya fungsi alfa kristalin sehingga bentuk protein akan berubah dan memicu oksidasi kelompok protein tiol dalam susunan protein lensa membentuk ikatan disulfida seperti terlihat pada gambar 4.2. Kerusakan oksidatif yang timbul pada lensa mata antara lain peroksidasi lipid dan mutasi DNA sehingga menurunkan kemampuan reparasi sel. 5,16
Gambar 4.2Agregasi protein lensa
Dikutip dari : Yanoff, dkk6
Lensa memiliki sistem pertahanan antioksidan untuk menjaga keseimbangan oksidatif, yaitu enzim superoksida dismutase, glutation peroksidase, katalase, karotenoid dan asam askorbat seperti terlihat pada gambar 4.3. Antioksidan yang paling berperan adalah glutation peroksidase. Enzim glutation terkonsentrasi pada lapisan epitelium dan serat lensa dan berfungsi dalam menjaga protein tiol agar tidak teroksidasi. Siklus redoks glutation terjadi pada epitelium lensa dan membutuhkan enzim glutation reductase serta NADPH dari hexose monophosphate shunt (HMPS) untuk mereduksi GSSG Kembali menjadi GSH. Asam askorbat atau vitamin C juga
memiliki peran penting dalam sistem pertahanan antioksidan lensa. Asam askorbat dari plasma memasuki lensa dengan melewati sawar darah akueous pada badan siliar ke humor akueous. Interaksi asam askorbat dengan sinar UV dan ion metal dapat menghasilkan hidrogen peroksida yang kemudian dapat bereaksi dengan zat besi sehingga menghasilkan peroksida. Vitamin C atau asam askorbat juga dapat bereaksi dengan superoksida, peroksil dan hidroksil untuk menghasilkan dehidroaskorbat yang kemudian diubah kembali menjadi askorbat dengan bantuan enzim dehidroaskorbat reduktase. Karotenoid melindungi lensa dari kerusakan fotooksidatif dengan menangkap singlet oksigen, sehingga mencegah proses peroksidasi lipid.4,5,16,17
Gambar 4.3 Skema mekanisme pertahanan antioksidan
Dikutip dari : Yoon, dkk15
Proses penuaan berpengaruh terhadap keseimbangan oksidatif lensa. Semakin bertambahnya usia, sintesis enzim antioksidan berkurang dan ketebalan lensa akan bertambah. Susunan serat lensa yang padat menyebabkan nukleus lensa tidak kontak langsung dengan epitelium sehingga nutrisi dan zat metabolit harus berdifusi diantara serat-serat lensa di atasnya. Hal ini juga menghambat aliran glutation sehingga membuat nukleus lensa menjadi lebih rentan terhadap kerusakan oksidatif yang kemudian akan berkontribusi dalam mekanisme terbentuknya katarak. 1,5,16
V. Simpulan
Reactive Oxygen Species (ROS) merupakan radikal bebas turunan oksigen yang memiliki elektron bebas dan bersifat reaktif terhadap atom lain. ROS dapat dihasilkan secara endogen maupun eksogen. Produksi ROS yang berlebihan dan tidak diimbangi oleh produksi antioksidan yang cukup akan menyebabkan kondisi stres oksidatif yang akan mengakibatkan kerusakan di tingkat seluler. Kerusakan oksidatif pada tingkat seluler berperan dalam proses patologis penyakit mata terutama yang berhubungan dengan proses penuaan. Sistem pertahanan antioksidan yang baik diperlukan untuk menunjang fungsi normal radikal bebas pada mata sehingga mencegah terjadinya kerusakan oksidatif. Pengetahuan mengenai ROS dan antioksidan akan bermanfaat dalam menentukan patogenesis dan tatalaksana penyakit mata yang berhubungan dengan kerusakan oksidatif.
10
DAFTAR PUSTAKA
1. Brar V, Law S, Lindsey J, Mackey D, Schultze R, Silverstein E, et al. Fundamentals and Principles of Ophthalmology. San Francisco: American Academy of Ophthalmology; 2019. hlm. 380–392.
2. Domènech EB, Marfany G. The relevance of oxidative stress in the pathogenesis and therapy of retinal dystrophies. Antioxidants. 2020;9(4):1–22.
3. Kumar V, Abbas A, Aster J. Robbins Basic Pathology. Edisi ke-1. Elsevier; 2018. hlm. 43-5, 66-9.
4. Nita M, Grzybowski A. The Role of the Reactive Oxygen Species and Oxidative Stress in the Pathomechanism of the Age-Related Ocular Diseases and Other Pathologies of the Anterior and Posterior Eye Segments in Adults. Oxid Med Cell Longev. 2016;2016:1–23.
5. Beebe DC. The Lens. In: Adler’s Physiology of the Eye. Edisi ke-11. Elsevier Inc.; 2011. hlm. 131–63.
6. Yanoff, M., & Duker JS. Effects of Cataract. Edisi ke-5. Ophthalmology. Elsevier Inc.; 2019. hlm. 330–336.
7. Li YR, Trush M. Defining ROS in Biology and Medicine. React Oxyg Species. 2016;1(1):9–21.
8. Rodwell VW, Bender DA, Botham KM, Kennely PJ, Weil PA. Harper Illustrated Biochemistry. Edisi ke-31. McGraw-Hill; 2015. hlm. 223–228, 236– 243, 255–257, 262.
9. Bury J. Responses to cellular injury. In: Underwood’s Pathology: a Clinical Approach. Edisi ke-7. Elsevier; 2018. hlm. 77–94.
10. Ung L, Pattamatta U, Carnt N, Wilkinson-Berka JL, Liew G, White AJR. Oxidative stress and reactive oxygen species: A review of their role in ocular disease. Clin Sci. 2017;131(24):2865–83.
11. Nimse SB, Pal D. Free radicals, natural antioxidants, and their reaction mechanisms. RSC Adv. 2015;5(35):7986–8006.
12. Ronzio RA. Naturally Occurring Antioxidants. Edisi ke-5. Textbook of Natural Medicine. Elsevier Inc.; 2020. hlm. 731-751.
13. Dogru M, Kojima T, Simsek C, Tsubotav K. Potential role of oxidative stress in ocular surface inflammation and dry eye disease. Investig Ophthalmol Vis Sci. 2018;59(14 Special Issue):DES163–8.
14. Gaschler MM, Stockwell BR. Lipid peroxidation in cell death. Biochem Biophys Res Commun. 2017;482(3):419–25.
15. Yoon S, Kim E, Shin Y. Oxidative Stress in Lens. Stud Cornea Lens. 2015; 16. Dai E, Boulton ME. Basic Science of the Lens. Edisi ke-5. Ophthalmology.
Elsevier Inc.; 2019. 381–393 hal.
17. Zhou YF, Guo B, Ye MJ, Liao RF, Li SL. Protective Effect of Rutin Against H2O2-Induced Oxidative Stress and Apoptosis in Human Lens Epithelial Cells. Curr Eye Res. 2016;41(7):933–42.
