Reactive Oxygen Species (ROS) (Part 1 - Definisi)

Spesi oksigen reaktif (bahasa Inggris: reactive oxygen species, ROS) adalah senyawa organik yang memiliki gugus fungsional dengan atom oksigen yang bermuatan elektron lebih. ROS terbentuk secara alami, terutama pada kompleks I rantai pernapasan mitokondria, dalam aktivitas seluler yang normal maupun perkembangan suatu patologi.

Alkalisasi pada matriks mitokondria maupun pada sitoplasma akan menstabilkan radikal semikuinon yang merupakan cikal bakal ROS, sedangkan, nilai pH matriks yang tinggi akan memacu produksi radikal bebas, meskipun ΔpH = 0 oleh karena stimulasi nigerisin. Produksi ROS akan menurun tanpa adanya ortofosfat ketika matriks dipenuhi oleh senyawa karbonat maupun bikarbonat sehingga menyebabkan pergeseran pH ke atas nilai 7. Tingginya rasio ROS disebut stres oksidatif.

Stress Oksidatif

Stres oksidatif adalah keadaan di mana jumlah radikal bebas di dalam tubuh melebihi kapasitas tubuh untuk menetralkannya. Akibatnya intensitas 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 lain-lain. Stres oksidatif dapat dicegah dan dikurangi dengan asupan antioksidan yang cukup dan optimal ke dalam tubuh.

Transformasi protein yang terjadi akibat stres oksidatif dapat mengakibatkan disfungsi protein, kerusakan jaringan dan berkembangnya berbagai jenis penyakit. Beberapa senyawa organik yang umumnya menyebabkan stres oksidatif, dihasilkan oleh reaksi oksidasi berbagai jenis polyunsaturated fatty acid (PUFA), antara lain senyawa dengan gugus karbonil tak jenuh jenis alfa, beta seperti 4-hydroxy-2-nonenal (HNE), 4-oxo-2-nonenal (ONE), dan akrolein. Senyawa dari golongan aldehida ini dapat menyebabkan adduct intramolekular atau intermolekular terhadap protein. Beberapa studi mass spectrometric yang mengamati reaksi pada protein yang terpapar oleh aldehida murni atau PUFA yang ter-peroksidasi menunjukkan bahwa pada awal paparan terjadi Michael dan Schiff adduct, tetapi hanya Michael adduct yang terjadi antara residu Cys dan His, dengan senyawa turunan HNE dan ONE, yang dapat bertahan terhadap reaksi proteolisis. Variasi produk adduct yang lain akan mengalami transformasi melalui berbagai proses seperti tautomerisasi, oksidasi, siklisasi, dehidrasi, dan terkadang juga kondensasi dengan molekul aldehida yang lain, hingga terbentuk senyawa advanced lipoxidation end products (ALE) yang stabil.

Radikal Bebas

Radikal bebas adalah atom atau molekul yang mempunyai elektron yang tidak berpasangan pada orbital terluarnya dan dapat berdiri sendiri (Clarkson and Thompson, 2000). Kebanyakan radikal bebas bereaksi secara cepat dengan atom lain untuk mengisi orbital yang tidak berpasangan, sehingga radikal bebas normalnya berdiri sendiri hanya dalam periode waktu yang singkat sebelum menyatu dengan atom lain.

Radikal bebas dibagi menjadi dua kelompok yang berbeda yaitu Reactive Oxygen Species (ROS) dan Reaktif Nitrogen spesies (NOS) (Marciniak et al., 2009).

Simbol untuk radikal bebas adalah sebuah titik yang berada di dekat simbol atom (R·). ROS (Reactive Oxygen Species) adalah senyawa pengoksidasi turunan oksigen yang bersifat sangat reaktif yang terdiri atas kelompok radikal bebas dan kelompok nonradikal.

Kelompok radikal bebas antara lain:

- superoxide anion (O2·-)
Superoxide anion (O2·-) memiliki reaktifitas selektif, dibentuk oleh sejumlah sistem enzim melalui reaksi-reaksi autooksidasi dan oleh elektron transfer enzimatik.

- hydroxyl radicals (OH·)
Hydroxyl radicals (OH·) terjadi karena radiolisis air dalam sistem biologis. Radikal hidroksil menyerang semua protein, DNA, PUFA dalam membran dan semua molekul yang disentuhnya.

- peroxyl radicals (RO2·). 

Radikal peroksida merupakan senyawa antara yang terbentuk dalam rangkaian reaksi oksidasi lipida, misalnya oksidasi lemah jenuh ganda.

Yang nonradikal misalnya:

- hydrogen peroxide (H2O2)
Radikal peroksida merupakan senyawa antara yang terbentuk dalam rangkaian reaksi oksidasi lipida, misalnya oksidasi lemah jenuh ganda.

- organic peroxides (ROOH)

(Halliwell and Whiteman, 2004)

Senyawa oksigen reaktif ini dihasilkan dalam proses metabolisme oksidatif dalam tubuh misalnya pada proses oksidasi makanan menjadi energi. ROS yang paling penting secara biologis dan paling banyak berpengaruh pada sistem reproduksi antara lain:

- superoxide anion  (O2·-)

- hydroxyl radicals (OH·)

- peroxyl radicals (RO2·)

- hydrogen peroxide (H2O2)

(Tremallen, 2008)

Bentuk radikal bebas yang lain adalah:

- hydroperoxyl (HO2·)

- alkoxyl (RO·)

- carbonate (CO3-)

- carbon dioxide (CO2-)

- atomic chlorine (Cl·)

- nitrogen dioxide (NO2·) 

(Halliwell and Whiteman, 2004)

Mekanisme Kerja Radikal Bebas, Peroksidasi Lipid, dan Malondialdehyde (MDA)

Penelitian yang ekstensif dengan menggunakan sistem model dan dengan material biologis in vitro, secara jelas menunjukkan bahwa radikal bebas dapat menimbulkan perubahan kimia dan kerusakan terhadap protein, lemak, karbohidrat, dan nukleotida. Bila radikal bebas diproduksi in vivo, atau in vitro di dalam sel melebihi mekanisme pertahanan normal, maka akan terjadi berbagai gangguan metabolik dan seluler. Jika posisi radikal bebas yang terbentuk dekat dengan DNA, maka bisa menyebabkan perubahan struktur DNA sehingga bisa terjadi mutasi atau sitotoksisitas.

Radikal bebas juga bisa bereaksi dengan nukleotida sehingga menyebabkan perubahan yang signifikan pada komponen biologi sel. Bila radikal bebas merusak grup thiol maka akan terjadi perubahan aktivitas enzim. Radikal bebas dapat merusak sel dengan cara merusak membran sel tersebut. 

Kerusakan pada membran sel ini dapat terjadi dengan cara: 

1. radikal bebas berikatan secara kovalen dengan enzim dan/atau reseptor yang berada di membran sel, sehingga merubah aktivitas komponen-komponen yang terdapat pada membran sel tersebut; 
2. radikal bebas berikatan secara kovalen dengan komponen membran sel, sehingga merubah struktur membran dan mengakibatkan perubahan fungsi membran dan/atau mengubah karakter membran menjadi seperti antigen;
3. radikal bebas mengganggu sistem transport membran sel melalui ikatan kovalen, mengoksidasi kelompok thiol, atau dengan merubah asam lemak polyunsaturated; 
4. radikal bebas menginisiasi peroksidasi lipid secara langsung terhadap asam lemak polyunsaturated dinding sel. 

Radikal bebas akan menyebabkan terjadinya peroksidasi lipid membran sel. Peroksidaperoksida lipid akan terbentuk dalam rantai yang makin panjang dan dapat merusak organisasi membran sel. (Sikka et al., 1995). Peroksidasi ini akan mempengaruhi fluiditas membran, cross-linking membran, serta struktur dan fungsi membran (Slater, 1984; Powers and Jackson, 2008).

Mekanisme kerusakan sel atau jaringan akibat serangan radikal bebas yang paling awal diketahui dan terbanyak diteliti adalah peroksidasi lipid. Peroksidasi lipid paling banyak terjadi di membran sel, terutama asam lemak tidak jenuh yang merupakan komponen penting penyusun membran sel. Pengukuran tingkat peroksidasi lipid diukur dengan mengukur produk akhirnya, yaitu malondialdehyde (MDA), yang merupakan produk oksidasi asam lemak tidak jenuh dan yang bersifat toksik terhadap sel. Pengukuran kadar MDA merupakan pengukuran aktivitas radikal bebas secara tidak langsung sebagai indikator stres oksidatif. Pengukuran ini dilakukan dengan tes Thiobarbituric Acid Reactive Substances (TBARS test) (Slater, 1984; Powers and Jackson, 2008).

Beberapa hasil penelitian yang sudah dilakukan tentang pengaruh aktifitas fisik terhadap kadar MDA plasma diantaranya penelitian yang dilakukan oleh (Marzatico et al.1997) yang melaporkan Kadar MDA plasma saat istirahat ditemukan lebih tinggi pada atlet sprint terlatih dan pelari maraton dibandingkan dengan kontrol (Marzatico et al.1997). Penelitian yang dilakukan oleh Santos-Silva et al. (2001) juga menemukan peningkatan kadar MDA istirahat pada perenang remaja terlatih dibandingkan dengan kontrol.

Sumber Pembentukan ROS
ROS merupakan representasi kategori molekul yang luas yang merupakan derivate oksigen radikal dan nonradikal. Derivate oksigen radikal meliputi ion OH, superoksida, nitric oxide, dan peroxyl, sedangkan derivate oksigen yang non-radikal meliputi ozone, singlet oksigen, lipid peroksida, dan hydrogen peroksida. Derivate oksigen non‐radikal selanjutnya akan mengambil bagian dalam kaskade reaksi yang menghasilkan radikal bebas. Selain derivate oksigen, radikal bebas juga dapat berasal dari derivate nitrogen seperti nitric oxide, peroksi nitrit, dan ion nitroksil yang juga merupakan subklas dari ROS. Berbagai macam ROS tersebut dapat  bersumber dari dalam tubuh (intrinsic) atau dari luar tubuh(extrinsic).

Radiasi sinar rontgen maupun sinar ultraviolet merupakan sumber pembentukan ROS yang cukup penting, mengingat kedua sinar tersebut dapat melisiskan air menjadi radikal OH.
Selain itu ion logam seperti Fe2+, Co2+ dan Cu+ juga dapat bereaksi dengan oksigen atau hydrogen peroksida (H2O2), menghasilkan radikal OH.

Nitric oksida, suatu senyawa yang penting untuk relaksasi pembuluh darah, selain merupakan senyawa radikal bebas, juga dapat bereaksi dengan superoksida menghasilkan peroksinitrit, yang kemudian dapat membentuk radikal OH.

Sumber ROS yang lain adalah berasal dari respiratory burst dari macrofag yang teraktifkan. Aktivasi macrofag ini menyebabkan peningkatan penggunaan glukosa melalui lintasan pentose fosfat yang dipakai untuk mereduksi NADP menjadi NADPH, dan peningkatan penggunaan oksigen  yang dipakai untuk mengoksidasi NADPH guna menghasilkan superoksida dan halogen radikal sebagai agen yang sitotoksik untuk membunuh mikroorganisme yang telah difagosit.

Oksidasi terhadap coenzim flavin tereduksi di dalam mitochondria dan rangkaian transport electron dalam mikrosom berlangsung melalui serangkaian langkah, dimana radikal flavin semiquanon distabilkan oleh protein pengikat, dan membentuk radikal oksigen (superoksida) sebagai hasil sementara atau sampingan. Meskipun hasil akhirnya bukanlah radikal bebas, namun akibat dari sifat radikal yang tidak dapat diprediksi, diperkirakan terdapat kebocoran radikal bebas, sebanyak 3 – 5% dari 30 mol oksigen yang dikonsumsi setiap hari atau sebanyak 1.5 mol ROS.4,10

pembentukan ROS di mitokondria

Jadi pembentukan ROS di  dalam mitokondria selain oleh kebocoran electron kronis dari rantai pernafasan normal, juga dipicu oleh respiratory burst intra mitochondrial, cytoplasma, maupun ROS yang berasal dari luar. Di dalam mitochondria superoksida dikonversi menjadi hydrogen peroksida yang dapat menyebar dan kemudian dikonversi menjadi radikal
OH yang bersifat mutagenic. Oleh karena itu produksi ROS dalam mitochondria menjadi hal penting dalam berbagai pathogenesis penyakit.


Produksi ROS pada Sel Kanker
Kadar ROS pada kelainan sel (kanker) bahkan sangat tinggi. Hal ini disebabkan oleh aktivitas metabolisme yang tinggi, disfungsi mitochondria, aktivitas peroksisom, peningkatan signaling reseptor sel, aktivitas oncogen, aktivitas oxidases, cyclooksigenases, lipooksigenases, dan thymidine fosforilase, atau melalui reaksi silang dengan infiltrasi sel immune.

Rangkaian transport electron fosforilasi oksidatif dalam mitochondria menghasilkan ROS sebagai hasil samping yang tidak dapat dihindari. Rangkaian transport electron tersebut meliputi komplek satu sampai empat dan ATP synthase yang terletak pada membrane dalam mitochondria. Kurang lebih 80% superoksida yang dibentuk pada komplek I dan III, dilepas pada ruang diantara membrane dalam mitochondria, sedangkan 20% sisanya dilepas ke matriks mitochondria.

Permiabilitas transition pore mitochondria (PTPM) di membrane luar mitochondria memungkinkan superoksida bocor ke sitoplasma, yang kemudian dirubah menjadi H2O2 baik di matriks mitochondria atau di sitoplasma oleh SOD. Berbagai data mutakhir menunjukkan bahwa hydrogen peroksida dapat menembus membrane sel melalui aquaporin  spesifik seperti aquaporin 8.

Aquaporin 8 telah dapat dideteksi pada membrane dalam mitochondria dan menunjukkan fungsi sebagai saluran air dan hydrogen peroksida. Selain mitochondria peroksisom juga merupakan sumber pembentukan ROS. Di dalam  organel resporiratory superoksi dan hydrogen peroksida dibentuk dari reaksi yang dikatalisis oleh enzim xanthin oxidase pada matrik dan membrane peroksisom.

Produksi ROS pada Kanker

source:

https://id.wikipedia.org › wiki › Spesi_oksigen_reaktif

ROS - USU Repository
Eni Widayati. Oxidasi Biologi, Radikal Bebas, dan Antioxidant