Stress Oksidatif dan Biomolekul

Stres oksidatif adalah keadaan di mana jumlah radikal bebas di dalam tubuh melebihi kapasitas tubuh untuk menetralisirnya. Akibatnya intesitas proses oksidasi sel-sel tubuh normal menjadi semakin tinggi dan menimbulkan kerusakan yang lebih banyak. Literatur medis membuktikan bahwa stres oksidatif adalah penyebab utama penuaan dini dan timbulnya penyakit kronis seperti kanker, penyakit jantung, alzheimer, dan degenerasi saraf seperti penyakit Alzheimer, skizofrenia, serta gangguan autoimun seperti arthritis.

Stress oksidatif dapat muncul baik dari sumber endogen maupun eksogen dan dapat terjadi pada semua organisme aerobik. Terdapat sejumlah sumber yang berbeda yang dapat menyebabkan stress oksidatif, termasuk produksi Reactive Oxygen Species (ROS) oleh fosforilasi oksidatif di mitokondria, eksposur radiasi pengion (IR), metabolisme senyawa eksogen, dan proses metabolisme patologis, seperti seperti yang terjadi pada amyotrophic lateral sclerosis dan ataksia telangiectasia (AT).

Stres oksidatif pertama kali ditunjukkan merusak organisme hidup pada tahun 1952, ketika Conger dan Fairchild menunjukkan bahwa peningkatan tekanan oksigen dapat menyebabkan penyimpangan kromosom pada serbuk sari. Hingga saat ini, telah ditemukan bahwa ROS dan oksigen dapat menginduksi berbagai jenis kerusakan DNA, termasuk kerusakan DNA tunggal dan double-stranded, modifikasi gula, DNA-protein crosslinks, dan depurination dan depyrimidination. Jumlah kerusakan yang per hari dalam genom mitokondria secara substansial lebih besar per unit DNA. Dalam menghadapi efek buruk dari stres oksidatif, organisme aerobik telah mengembangkan beragam mekanisme yang berbeda untuk menjaga stabilitas genom. Mekanisme ini termasuk konstitutif dan induksi antioksidan, dan enzim pertahanan oksidan seperti katalase dan dismutase superoksida (SOD), enzim perbaikan DNA, dan mekanisme pengawasan genomik, seperti sistem pos pemeriksaan siklus sel.

Sumber Dari Reactive Oxygen Species Dalam Sistem Biologi

Oksigen adalah segalanya dalam organisme aerobik dan karenanya, ROS dapat berasal dari berbagai sumber yang berbeda. Di sini kita akan daftar beberapa sumber biologis yang signifikan dari ROS. Rantai transpor elektron mitokondria. Rantai transpor elektron mitokondria adalah sumber seluler untuk adenosin trifosfat 59-(ATP) yang dihasilkan melalui fosforilasi oksidatif, dan sumber utama ROS selular. Secara khusus, mitokondria merupakan sumber utama kedua superoksida (O₂ • ₂) dan hidrogen peroksida (H₂O₂). Jarak yang lebih dekat antara DNA mitokondria ke sumber ROS mungkin menyebabkan tingkat kerusakan oksidatif yang ditemukan dalam DNA mitokondria lebih besar dibandingkan dengan DNA inti sel. Produksi ROS dalam mitokondria adalah "reaksi samping" dalam rantai transpor elektron dan sangat tergantung pada tekanan parsial oksigen di lingkungan mitokondria. Peningkatan tekanan parsial oksigen di atas titik dimana rantai pernapasan oksidase mitokondria jenuh, menyebabkan peningkatan produksi O₂ • ₂ yang sangat cepat.

Inflamasi

Reaksi inflamasi, terutama yang kronis, dapat menjadi sumber signifikan dari kerusakan oksidatif. Leukosit seperti makrofag dan neutrofil aktif akan melepaskan sejumlah ROS, termasuk H₂O₂, oksida nitrat (NO •), super oksida (O₂ • ₂), hidroksil (OH •), dan hipoklorit (hocl), yang dapat merusak sel DNA di dekatnya. Telah diperkirakan bahwa sekitar sepertiga dari kanker di dunia merupakan efek dari peradangan kronis. Dukungan untuk hipotesis ini berasal dari pengamatan bahwa antibodi titer DNA teroksidasi secara signifikan lebih tinggi pada individu dengan dermatosa inflamasi kronis atau sejarah kanker. Contoh kanker yang timbul dari peradangan kronis termasuk mesothelioma setelah paparan asbes dan kanker setelah ulcerative colitis kronis.

Ionizing Radiation

IR (Ionizing Radiation) pertama kali dibuktikan mutagenik pada tahun 1927 oleh Muller, yang menemukan bahwa mutasi yang diinduksi IR pada spesies Drosophila. Hinggasaat ini, IR telah ditemukan untuk menyebabkan mutasi dan kanker di sejumlah besar sistem. IR dapat merusak semua konstituen seluler dan menghasilkan lebih dari 100 lesi DNA yang berbeda. Meskipun IR merusak DNA melalui efek langsung dari energi radiasi pada DNA, IR juga merusak DNA secara tidak langsung melalui produksi ROS. Air adalah konstituen seluler dominan dan sekitar 80% dari energi radiasi diendapkan sebagai hasil sel dalam ekstraksi elektron dari air. Setelah bagian ini, sejumlah ROS termasuk H₂O₂, OH •, H₂, e², H •, dan O2 • ₂ terbentuk, semua ini dapat merusak DNA. Produksi ROS oleh IR dapat menjelaskan persamaan sebelumnya terlihat antara IR dan stress oksidatif.

Reactive Oxygen Species

ROS yang menyebabkan kerusakan oksidatif dapat dibagi menjadi dua kategori: oksigen radikal bebas dan ROS nonradical. Oksigen radikal bebas dapat didefinisikan sebagai setiap bahan kimia yang mampu bersifat independen dimana mengandung memelihara satu atau lebih elektron tidak berpasangan. Penting untuk dicatat bahwa ketika radikal bebas bereaksi dengan nonradicals, hasilnya adalah radikal baru, yang dapat mengakibatkan rantai reaksi-kondisi pembentukan radikal bebas. Karena molekul oksigen berlimpah pada organisme aerobik dan juga menerima elektron dengan mudah, propagasi yang melibatkan radikal bebas ROS adalah peristiwa yang umum. Dengan demikian radikal bebas yang relatif singkat dapat menyebarkan efek merusak di luar batas.

Secara umum oksigen radikal bebas mencakup • OH, NO •, dan O₂ • ₂. Nonradical ROS termasuk molekul seperti hidrogen peroksida (H₂O₂). Masing-masing ROS mampu merusak unsur selular, termasuk DNA, baik dengan tindakan langsung pada DNA atau melalui reaksi dengan konstituen seluler lain untuk menghasilkan ROS baru. Di sini kita secara singkat akan meninjau beberapa aspek dari ROS dengan penekanan pada pembentukan mereka dan reaktivitas terhadap DNA.

Hidrogen Peroksida

H₂O₂ dihasilkan oleh berbagai reaksi intraseluler, terutama transpor elektron oksidatif di mitokondria, dan biasanya terjadi dalam sel pada konsentrasi sekitar 1,0 x 10^-8 M. H₂O₂ tampaknya memainkan peran dalam metabolisme normal dan diperlukan untuk sejumlah peristiwa seluler seperti biosintesis hormon tiroid dan aktivitas mikrobisida makrofag. Dengan sendirinya H₂O₂ yang relatif tidak reaktif terhadap DNA. Sebagian besar kerusakan DNA dimediasi oleh H₂O₂ karena produksi •OH melalui peristiwa seperti reaksi Fenton:

 

•OH merupakan oksidan yang sangat reaktif, dengan potensial redoks sekitar 11,35 V. •OH bereaksi cepat dengan DNA dan dapat menyebabkan lebih dari 100 jenis yang berbeda dari modifikasi DNA. Transisi logam lain selain Fe²⁺, seperti Cu⁺, juga dapat berfungsi dalam reaksi Fenton. Dalam hal ini, menarik untuk dicatat bahwa jumlah logam transisi yang biasanya terkait dengan DNA diperlukan untuk kerusakan DNA oleh H₂O₂ terjadi. Selain itu •OH dikenal untuk mengaktifkan onkogen tertentu, seperti K-ras, yang juga mungkin memainkan peran dalam peningkatan aktivitas tumor. H₂O₂ biasanya didetoksifikasi melalui aksi catalase dan peroksidase, yang memecah H₂O₂, masing-masing, sebagai berikut:

Superoksida

Meskipun O₂ • ₂ jauh lebih reaktif dari • OH, masih cukup mampu merusak DNA. Jumlah O₂ • ₂ cukup berlimpah dan sekitar 2% dari oksigen yang digunakan oleh sel diubah menjadi O₂ • ₂, sehingga memberikan konsentrasi intraselular sekitar 1,0 x 10^-11 M. Seperti H₂O₂, kebanyakan seluler O₂ • ₂ tampaknya berasal dari rantai transpor elektron mitokondria. O₂ • ₂ muncul untuk melakukan sebagian besar kerusakan melalui produksi •OH, melalui reaksi seperti reaksi Haber-Weiss:

 

O₂ • ^- didetoksifikasi oleh SOD, yang mengubah O₂ • ₂ sampai H₂O₂. Toksisitas O₂ • ₂ dapat dilihat pada generasi neurode yang menyertai amyotrophic lateral sclerosis, di mana tingkat SOD rendah dan penelitian terbaru menunjukkan bahwa jumlah SOD yang berlebih dalam saraf motorik spesies Drosophila menimbulkan peningkatan kehidupannya hingga mencapai 40%.

Nitric oxide (NO)

•NO diproduksi secara konstitutif (terus-menerus) oleh sel endotelial vaskular, beberapa tipe sel neuronal, dan mengaktifasi makrofag dan beraksi sebagai mediator proinflamasi. •NO berperilaku sebagai perusak DNA melalui reaksinya dengan O2•- dan menghasilkan radikal peroksinitril. Radikal ini adalah serupa reaktivitasnya dengan •OH dan perannya sama sebagai biomolekul perusak. •NO juga berperan dalam membunuh sel tumor dengan mengaktifkan makrofag dan merusak DNA sel.