Oxidasi biologiOxidasi biologi

Dr. Surjono Winarto, MsDr. Surjono Winarto, MsBag. Biokimia dan Biologi molekulerBag. Biokimia dan Biologi molekuler

Fakultas KedokteranFakultas KedokteranUniversitas TarumanagaraUniversitas Tarumanagara

Oxidasi:Oxidasi:

Beberapa pengertianBeberapa pengertian

1. Kehilangan elektron dan disertai dengan reduksi1. Kehilangan elektron dan disertai dengan reduksi

senyawa lain yg menerima elektron.senyawa lain yg menerima elektron.

2. Kehilangan hidrogen atau dehidrogenasi2. Kehilangan hidrogen atau dehidrogenasi

3. Oksidasi: mendapat oksigen3. Oksidasi: mendapat oksigen

ee--

FeFe2+ 2+ FeFe3+3+

oxidasioxidasi

Konsep oksidasi dalam sistem biologiKonsep oksidasi dalam sistem biologi 1. Lavoisier, hewan menggunakan oksigen dari udara 1. Lavoisier, hewan menggunakan oksigen dari udara

dan menggantinya dengan COdan menggantinya dengan CO22 dan H dan H22OO

2. Pasteur2. Pasteur ragiragi

Glukosa COGlukosa CO22 + H + H22O + alkoholO + alkohol

fermentasi anaerobikfermentasi anaerobik

organisme hidup (ragi) dapat bernafas tanpa oksigenorganisme hidup (ragi) dapat bernafas tanpa oksigen atau anerobikatau anerobik 3. Warburg3. Warburg menyatakan adanya suatu enzim (atmung ferment)menyatakan adanya suatu enzim (atmung ferment) mengkatalisis pengaktifan oxigen dan setelah aktif mengkatalisis pengaktifan oxigen dan setelah aktif dapat bergabung dengan molekul substratdapat bergabung dengan molekul substrat

4. Wieland, tesis Wieland berlawanan dengan Warburg,4. Wieland, tesis Wieland berlawanan dengan Warburg,

menyatakan bahwa molekul substrat diaktifkan danmenyatakan bahwa molekul substrat diaktifkan dan

substratnya yg aktif dioxidasi dengan cara menghilang-substratnya yg aktif dioxidasi dengan cara menghilang-

kan hidrogen dalam reaksi yg dikatalisis oleh enzim kan hidrogen dalam reaksi yg dikatalisis oleh enzim

spesifik yg disebut spesifik yg disebut dehidrogenasedehidrogenase

5. Keilin menemukan satu kelompok katalis pernafasan5. Keilin menemukan satu kelompok katalis pernafasan

yg dinamakan sistim sitokromyg dinamakan sistim sitokrom

Kelima penemuan semuanya benar. Lavoisier hanya mencatatKelima penemuan semuanya benar. Lavoisier hanya mencatat

permulaan dan akhir oxidasi biologi sesuai dengan kemajuan-permulaan dan akhir oxidasi biologi sesuai dengan kemajuan-

ilmu pengetahuan pada waktu itu. Diantara permulaan dan ilmu pengetahuan pada waktu itu. Diantara permulaan dan

akhir terdapat banyak reaksi yg ditemukan oleh pasteur , Wie-akhir terdapat banyak reaksi yg ditemukan oleh pasteur , Wie-

land dan Keilinland dan Keilin

Substrat mula2 dioxidasi dengan cara dehidrogenasi (Wieland)Substrat mula2 dioxidasi dengan cara dehidrogenasi (Wieland)

dan reducing equivalent (ekuivalen pereduksi) yaitu hidrogen dan reducing equivalent (ekuivalen pereduksi) yaitu hidrogen dan/atau elektron ditransfer melalui sitim sitokrom (Keilin) un-dan/atau elektron ditransfer melalui sitim sitokrom (Keilin) un- tuk bereaksi dengan molekul oksigen oleh enzim atau anggotatuk bereaksi dengan molekul oksigen oleh enzim atau anggota sistim sitokrom yg paling ujung yg disebut sitokrom oxidase.sistim sitokrom yg paling ujung yg disebut sitokrom oxidase. Urutan enzim yg bekerja untuk mentransfer reducing equivalentUrutan enzim yg bekerja untuk mentransfer reducing equivalent dari substrat ke molekul oxigen disebut “Rantai pernafasan atau dari substrat ke molekul oxigen disebut “Rantai pernafasan atau respiratory chain”.respiratory chain”. rantai pernafasan terdapat dalam mitokhondria mempunyai urut-rantai pernafasan terdapat dalam mitokhondria mempunyai urut- an sbb:an sbb: Substrat dehirogenase falvoprotein Substrat dehirogenase falvoprotein (nikotinamida)(nikotinamida) Sitokrom-sitokrom oxigenSitokrom-sitokrom oxigen

Keseimbangan oxidasi reduksi : Keseimbangan oxidasi reduksi : PotensialPotensial RedoxRedox Pada reaksi-reaksi oxidasi-reduksi, pembentukan Pada reaksi-reaksi oxidasi-reduksi, pembentukan

energi bebas sebanding dengan kecendrungan reak-energi bebas sebanding dengan kecendrungan reak-tan memberikan atau menerima elektron.tan memberikan atau menerima elektron.

Jadi sesuai dengan pembentukan energi bebas yg Jadi sesuai dengan pembentukan energi bebas yg dinyatakan sbg. dinyatakan sbg. ∆G∆G0101, pada oxidasi reduksi ada , pada oxidasi reduksi ada potensial redox yg dinyatakan sbg. Epotensial redox yg dinyatakan sbg. E00

11

Potensial redox untuk sistim dgn. pH = 0 adalah Potensial redox untuk sistim dgn. pH = 0 adalah sebesar 0,0 volt, yaitu Esebesar 0,0 volt, yaitu E00. Tetapi karena sistim biologi . Tetapi karena sistim biologi potensial redoxnya dinyatakan pada pH = 7.0 maka potensial redoxnya dinyatakan pada pH = 7.0 maka simbolnya dinyatakn sbg. Esimbolnya dinyatakn sbg. E00

1 1 dan potensialnya dan potensialnya = 0,42 volt= 0,42 volt

3. Enzim oxidoreductase3. Enzim oxidoreductase

Enzim ini dikelompokkan dalam 4 kelompokEnzim ini dikelompokkan dalam 4 kelompok

(1). Oxidase(1). Oxidase

(2) dehidrogenase: aerobik dan anerobik(2) dehidrogenase: aerobik dan anerobik

(3) hidroperoksidase(3) hidroperoksidase

(4) oxigenase(4) oxigenase

OxidaseOxidase bekerja mengambil oxigen dari substrat, mengguna bekerja mengambil oxigen dari substrat, mengguna

kan oxigen sbg. Aseptor hidrogen, hasil kerjanya ialah airkan oxigen sbg. Aseptor hidrogen, hasil kerjanya ialah air

atau hidrogen peroksidaatau hidrogen peroksida

Klasifikasi enzim menurut IUB (International union of Klasifikasi enzim menurut IUB (International union of Biochemistry)Biochemistry)

1. oxidoreductase, melakukan oxidasi dan reduksi1. oxidoreductase, melakukan oxidasi dan reduksi 2. Transferase, melakukan transfer gugus spt: metil 2. Transferase, melakukan transfer gugus spt: metil atau gugus glukosil dari donor molekul ke asep-atau gugus glukosil dari donor molekul ke asep- tor molekultor molekul 3. Hydrolase, melakukan pemecahan hidrolitik 3. Hydrolase, melakukan pemecahan hidrolitik ikatan C-C, C-O, C-N, P-O dan ikatan lainnya ikatan C-C, C-O, C-N, P-O dan ikatan lainnya spt. Ikatan anhidrida asamspt. Ikatan anhidrida asam 4. Lyase, melakukan pemecahan ikatan-ikatan C-4. Lyase, melakukan pemecahan ikatan-ikatan C- C, C-O, C-N dan ikatan lainnya dgn eliminasi, mening-C, C-O, C-N dan ikatan lainnya dgn eliminasi, mening- galkan ikatan rangkap dan juga menambah gugus ke galkan ikatan rangkap dan juga menambah gugus ke ikatan rangkapikatan rangkap

5. Isomerase, melakukan perubahan geometri atau struktural 5. Isomerase, melakukan perubahan geometri atau struktural

dalam satu molekuldalam satu molekul

6. Ligase, melakukan penggabungan bersama dua molekuk, yg6. Ligase, melakukan penggabungan bersama dua molekuk, yg

dirangkumkan dengan hidrolisis gugus pirofosfat dlm ATP dirangkumkan dengan hidrolisis gugus pirofosfat dlm ATP

atau trifosfat nukleosida lainnyaatau trifosfat nukleosida lainnya

1. Oxidase1. Oxidase

- - Enzim favoprotein memiliki FMN atau FAD sebagai gugus Enzim favoprotein memiliki FMN atau FAD sebagai gugus

prostetik yg dibentuk dari vitamnin riboflavinprostetik yg dibentuk dari vitamnin riboflavin

- - FMN dan FAD berikatan erat dengan apoenzimnya, tetapi ti FMN dan FAD berikatan erat dengan apoenzimnya, tetapi ti

dak secara kovalendak secara kovalen

- mengandung satu atau lebih logam sbg. Kofaktornya dikenal - mengandung satu atau lebih logam sbg. Kofaktornya dikenal

sbg. metaloflavoproteinsbg. metaloflavoprotein

Contohnya:Contohnya:

1. oxidase asam amino L (L-amino acid) pada ginjal yg 1. oxidase asam amino L (L-amino acid) pada ginjal yg

melakukan deaminasi-oksidasi asam amino L pada ginjal melakukan deaminasi-oksidasi asam amino L pada ginjal

2. xantin oxidase, tersebar luas pada susu, usus halus ginjal 2. xantin oxidase, tersebar luas pada susu, usus halus ginjal

dan hati, mengandung molibdenum dan penting dalam dan hati, mengandung molibdenum dan penting dalam

konversi basa purin menjadi asam uratkonversi basa purin menjadi asam urat

enzim ini penting pada hati dan ginjal burung, bukan sajaenzim ini penting pada hati dan ginjal burung, bukan saja

utk metabolisme basa purin juga utk katabolisme porfirinutk metabolisme basa purin juga utk katabolisme porfirin

3. Aldehida dehidrogenase merupakan enzim yg penting3. Aldehida dehidrogenase merupakan enzim yg penting

dalam hati , merupakan metaloflavoprotein yg mengandungdalam hati , merupakan metaloflavoprotein yg mengandung

mo, besi non hem. Ezim ini bekerja pada aldehida dan mo, besi non hem. Ezim ini bekerja pada aldehida dan NN--

heterosiklikheterosiklik

4. Glukosa oxidase, dapat diisolasi dari jamur, dipakai untuk4. Glukosa oxidase, dapat diisolasi dari jamur, dipakai untuk

mengukur kadar gula darahmengukur kadar gula darah

mekanisme oksidasi reduki dari enzim mekanisme oksidasi reduki dari enzim nukleotidanukleotida flavinflavin ini bersifat sangat kompleks ini bersifat sangat kompleks dan berlansung dalam 2 tahap dan berlansung dalam 2 tahap

(2) Dehidrogenase yang tidak (2) Dehidrogenase yang tidak menggunakan oxigen sebagai akseptor menggunakan oxigen sebagai akseptor hidrogenhidrogenAda sejumlah besar enzim dehidrogenase, DH Ada sejumlah besar enzim dehidrogenase, DH DH menunjukkan 2 fungsi utama :DH menunjukkan 2 fungsi utama :Memindahkan hidrogen dari satu substrat ke Memindahkan hidrogen dari satu substrat ke substrat lain pada reaksi oxidasi reduksi. substrat lain pada reaksi oxidasi reduksi. Umumnya menggunakan koenzim NAD+Umumnya menggunakan koenzim NAD+Reaksi ini tidak melibatkan oxigen, terjadi pada Reaksi ini tidak melibatkan oxigen, terjadi pada glikolisis anaerobik.glikolisis anaerobik.

DH yang merupakan komponen rantai DH yang merupakan komponen rantai pernafasanpernafasanDH dengan koenzim nikotinamide DH dengan koenzim nikotinamide Umumnya dehidrogenase dengan NAD Umumnya dehidrogenase dengan NAD mengkatalisis reaksi oxidoreduktase, terutama mengkatalisis reaksi oxidoreduktase, terutama glikolisi, siklus asam sitrat dan rantai glikolisi, siklus asam sitrat dan rantai pernafasan.pernafasan.DH dengan NADP bekerja pada sintesis dengan DH dengan NADP bekerja pada sintesis dengan reduksi seperti sintesis asam lemak reduksi seperti sintesis asam lemak extramitokondria dan sintesis steroid. DH extramitokondria dan sintesis steroid. DH dengan koenzim nikotinamide mengandung dengan koenzim nikotinamide mengandung ZnZn, dan glisereldehide-3-fosfat dehydrogenase , dan glisereldehide-3-fosfat dehydrogenase dalam otot.dalam otot.Ion Zn tidak mengambil bagian pada Ion Zn tidak mengambil bagian pada oxidasireduksioxidasireduksi

DH dengan RiboflavinDH dengan RiboflavinKebanyakan DH dengan koenzim riboflavin Kebanyakan DH dengan koenzim riboflavin bekerja pada transport elektron dalam bekerja pada transport elektron dalam atau ke rantai pernafasan.atau ke rantai pernafasan.NADH dehidrogenaseNADH dehidrogenase merupakan merupakan komponen RP sebagai carrirer elektron.komponen RP sebagai carrirer elektron.DH lainnya ialah :DH lainnya ialah :succinate dehydrogenasesuccinate dehydrogenaseacyl-CoA dehydrogenaseacyl-CoA dehydrogenaseGlycerol-3-fosfat dehydrogenaseGlycerol-3-fosfat dehydrogenaseMentransfer reducing equivalent dari Mentransfer reducing equivalent dari substrat ke RPsubstrat ke RP

ETF ( Electron transferring flavoprotein ) bekerja ETF ( Electron transferring flavoprotein ) bekerja sebagai carrier electron antara scyl Co A DH sebagai carrier electron antara scyl Co A DH dengan RP.dengan RP.Sitokrom dapat juga dianggap sebagai DHSitokrom dapat juga dianggap sebagai DHSitokrom adalah hemoprotein yang mengandung Sitokrom adalah hemoprotein yang mengandung besi Fe bervalensi antara Fe3+ dan Fe2+besi Fe bervalensi antara Fe3+ dan Fe2+Pada oxidasi reduksi. Kecuali sitokrom oxidase, Pada oxidasi reduksi. Kecuali sitokrom oxidase, sitokrom diklasifikasi sebagai DHsitokrom diklasifikasi sebagai DHPada RP sitokrom bekerja sebagai Pada RP sitokrom bekerja sebagai carrier elektroncarrier elektron antara flavoprotein dan sitokrom oxidase.antara flavoprotein dan sitokrom oxidase.Sitokrom ada beberapa : Sit. b ; Sit. c ; Sit a ; sit Sitokrom ada beberapa : Sit. b ; Sit. c ; Sit a ; sit a3 ( sitokrom oxidase ).a3 ( sitokrom oxidase ).Sitokrom selain sebagai komponen RP terdapat Sitokrom selain sebagai komponen RP terdapat juga di dalam reticulum endoplasmik juga di dalam reticulum endoplasmik ( sitokrom P450 dan b5 ) di dalam sel tanaman, ( sitokrom P450 dan b5 ) di dalam sel tanaman, bakteri dan ragi.bakteri dan ragi.

(3) Hidroperoxidase sebagai H2O2 (3) Hidroperoxidase sebagai H2O2 atau peroxida organik sebagai atau peroxida organik sebagai substratsubstratAda 2 jenis ( dalam binatang dan tanaman )Ada 2 jenis ( dalam binatang dan tanaman )peroxidaseperoxidasekatalasekatalaseHidroperoxidase melindungi tubuh Hidroperoxidase melindungi tubuh terhadap peroxida.terhadap peroxida.Penimbunan peroxida dapat menghasilkan Penimbunan peroxida dapat menghasilkan radikal bebas yang akan merusak radikal bebas yang akan merusak membran sel dan mungkin menyebabkan membran sel dan mungkin menyebabkan kanker dan atherosklerosis.kanker dan atherosklerosis.

Peroxidase yang mereduksi peroxidaPeroxidase yang mereduksi peroxidaPeroxidase terdapat di dalam susu dan leukosit, Peroxidase terdapat di dalam susu dan leukosit, platelet dan lain-lain jaringan dalam metabolisme platelet dan lain-lain jaringan dalam metabolisme ekosanoat.ekosanoat.Gugus prostetiknya adalah Gugus prostetiknya adalah protohemeprotoheme. Peroxidase . Peroxidase akan memakai hidrgen peroxida dengan senyawa-akan memakai hidrgen peroxida dengan senyawa-senyawa seperti asam askorbat, quinon, sit. c senyawa seperti asam askorbat, quinon, sit. c sebagai akseptor elektron.sebagai akseptor elektron.

peroxidaperoxidaH2O2 + AH2 2H2O + H2O2 + AH2 2H2O +

AADi dalam eritrosit dan jaringan lain enzim Di dalam eritrosit dan jaringan lain enzim gluthione peroxidase yang mengandung selenium gluthione peroxidase yang mengandung selenium sebagai gugus prostetik, bekerja memecah H2O2 sebagai gugus prostetik, bekerja memecah H2O2 dan hidroperoxidase lipid menggunakan reduced dan hidroperoxidase lipid menggunakan reduced glutathione ( G-SH ), sehingga dapat melindungi glutathione ( G-SH ), sehingga dapat melindungi lipid membran dan hemoglobin terhadap oxidasi lipid membran dan hemoglobin terhadap oxidasi oleh H2O2oleh H2O2

Katalase dengan substrat H2O2 sebagai donor Katalase dengan substrat H2O2 sebagai donor dan akseptor elektrondan akseptor elektron

katalasekatalase

H2O2 H2O2 2H2O + O22H2O + O2Katalase merupakan hemoprotein mengandung 4 Katalase merupakan hemoprotein mengandung 4 gugus heme. Katalase bekerja memecah 2 mol gugus heme. Katalase bekerja memecah 2 mol H2O2, satu molekul sebagai substrat H2O2, satu molekul sebagai substrat donor donor elektronelektron dan satu molekul lagi sebagai oxidan dan satu molekul lagi sebagai oxidan atau akseptor elektron.atau akseptor elektron.Katalase terdapat di darah, sumsum tulang, Katalase terdapat di darah, sumsum tulang, membrane mucous, ginjal dan hepar. Fungsinya membrane mucous, ginjal dan hepar. Fungsinya adalah memecah H2O2 yang dibentuk oleh adalah memecah H2O2 yang dibentuk oleh oxidase.oxidase.

Peroxisome terdapat dalam banyak Peroxisome terdapat dalam banyak jaringan termasuk hepar, kaya akan jaringan termasuk hepar, kaya akan oxidase dan katalase. Jadi enzim yang oxidase dan katalase. Jadi enzim yang menghasilkan H2O2 disediakan juga menghasilkan H2O2 disediakan juga enzim yang memecah H2O2enzim yang memecah H2O2

(4) Oxigenase(4) Oxigenaselangsung mentransfer dan menempatkan langsung mentransfer dan menempatkan oxigen ke molekul substrat.oxigen ke molekul substrat.Oxigenase terlibat pada sintesis dan Oxigenase terlibat pada sintesis dan pemecahan bermacam-macam jenis pemecahan bermacam-macam jenis metabolit.metabolit.(a)(a) Dioxigenase Dioxigenase yang menempatkan kedua yang menempatkan kedua oxigen ke substratoxigen ke substrat

A + O2 AO2A + O2 AO2Contoh : homogentisate dioxygenase, 3-Contoh : homogentisate dioxygenase, 3-hydroxy-anthranilate dioxygenase, hydroxy-anthranilate dioxygenase, mengandung Fe ; L-tryptophan dioxygenasemengandung Fe ; L-tryptophan dioxygenase

(b) Momooxygenase (b) Momooxygenase Menempatkan hanya satu atom oxygen ke molekul Menempatkan hanya satu atom oxygen ke molekul substrat.substrat.Atom oxygen lainnya direduksi menjadi H2O, perlu Atom oxygen lainnya direduksi menjadi H2O, perlu tambahan donor elektron atau ko substrat ( Z )tambahan donor elektron atau ko substrat ( Z )

A- H + O2 + Z H2 A-OH + A- H + O2 + Z H2 A-OH + H2O + ZH2O + Z(c) Sitokrom P450 merupakan monooxygenase (c) Sitokrom P450 merupakan monooxygenase untuk detoxifikasi obat-obat dan hidroxilasi untuk detoxifikasi obat-obat dan hidroxilasi steroid. steroid. Terdapat dalam mikrosom hepar bersama Terdapat dalam mikrosom hepar bersama dengan Sit.P450 dan Sit. b5.dengan Sit.P450 dan Sit. b5.Terdapat dalam jaringan yang memproduksi Terdapat dalam jaringan yang memproduksi steroid seperti kortex adrenal, testis, ovarium dan steroid seperti kortex adrenal, testis, ovarium dan placenta, dan juga yang mensintesis hormon placenta, dan juga yang mensintesis hormon steroid dari kolesterolsteroid dari kolesterol

Obat – H + O2 + 2 Fe2+ + 2H+ Obat – H + O2 + 2 Fe2+ + 2H+

obat – OH + H2O + 2Fe3+obat – OH + H2O + 2Fe3+

Obat-obat yang mengalami metabolisme Obat-obat yang mengalami metabolisme dengan sistem ini adalah benzpyrene, dengan sistem ini adalah benzpyrene, aminopyrine, aniline, morphine dan aminopyrine, aniline, morphine dan benzphetamine.benzphetamine.

(5) Superoxida Dismutase (5) Superoxida Dismutase

Bekerja melindungi organisme aerobic Bekerja melindungi organisme aerobic terhadap toxisitas oxygen.terhadap toxisitas oxygen.

Oxigen sebenarnya toxik, bukan karena dapat Oxigen sebenarnya toxik, bukan karena dapat membentuk H2O2 tetapi dapat direduksi oleh membentuk H2O2 tetapi dapat direduksi oleh jaringan membentuk jaringan membentuk superoxide anion free radicalsuperoxide anion free radical (O2-) ( radical bebas anion superoxida )(O2-) ( radical bebas anion superoxida )

Enzim superoxida dismutase bekerja untuk Enzim superoxida dismutase bekerja untuk membuang superoxida tersebut.membuang superoxida tersebut.

Enz – Flavin – H2 + O2 Enz – Flavin – H2 + O2 Enz – Flavin – H + O2 + H+Enz – Flavin – H + O2 + H+Superoxide terbentuk bila flavin tereduksi Superoxide terbentuk bila flavin tereduksi ( reduced flavin), bila ada enzim misal ( reduced flavin), bila ada enzim misal xanthine oxidase, akan direduksi oleh xanthine oxidase, akan direduksi oleh molekul oxigen.molekul oxigen.Superoxide kemudian dapat mereduksi Superoxide kemudian dapat mereduksi oxidized cytochrome c.oxidized cytochrome c.

O2- + O2- + O2- + O2- + 2H+ 2H+ H2O2 + O2H2O2 + O2

Di sini superoxide bekerja sebagai oxidan Di sini superoxide bekerja sebagai oxidan dan reduktan. Fungsi superoxida dismutase dan reduktan. Fungsi superoxida dismutase adalah melindungi organisme aerobik adalah melindungi organisme aerobik terhadap superoxide.terhadap superoxide.

Enzim dalam sitosol terdiri dari 2 subunit Enzim dalam sitosol terdiri dari 2 subunit masing-masing mengandung Cu2+ dan masing-masing mengandung Cu2+ dan Zn2+ , sedang dalam mitokondria Zn2+ , sedang dalam mitokondria mengandung Mn2+ . Menghirup oxigen mengandung Mn2+ . Menghirup oxigen 100% merusak paru-paru. Antioxidan 100% merusak paru-paru. Antioxidan seperti α – tocopherol ( vitamin E ) dapat seperti α – tocopherol ( vitamin E ) dapat mengurangi toxisitas oxigen. mengurangi toxisitas oxigen.