aspek biokimia mata
DESCRIPTION
biokimiaTRANSCRIPT
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
ASPEK BIOKIMIA MATA
Sri Widia A JusmanDepartemen Biokimia & Biologi
Molekuler FKUI
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
MASALAH YANG DIHADAPI JARINGAN MATA1. Terpapar pada pO2 dari atmosfir (21 % O2), polutan
& iritan (~ paru) rentan terhadap kerusakan oksidatif
2. Protein dengan umur panjang (turn-over ) (~ sel darah merah) kerusakan bersifat akumulatif
3. Risiko mengalami kerusakan akibat paparan cahaya >> (~ kloroplas pada tanaman) retina rentan terhadap kerusakan
Jaringan mata – rentan terhadap pembentukan ROS
Jaringan mata dilengkapi dengan kandungan antioksidan enzimatik dan non enzimatik yang >>
Agar cahaya sampai ke retina – kejernihan susunan jaringan mata harus dipertahankan – melalui
• tingkat reduksi di dalam jaringan mata• osmolaritas lensa – dipertahankan oleh Na+/K+ ATP- ase
– memerlukan ATP – melalui metabolisme energi • struktur protein – dalam bentuk alamiah
sriwidiaaj/EYE/KKI
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
JALUR METABOLISME DI DALAM JARINGAN MATA
• Glikolisis ( aerob & anaerob)
• HMP shunt
• Jalur poliol
• Daur TCA
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
GLIKOLISIS• Jalur utama metabolisme glukosa
• Berlangsung di sitosol semua sel
• Dapat berlangsung pada keadaan aerob maupun anaerob
• Pada keadaan aerob – glukosa diubah menjadi piruvat di sitosol – kemudian piruvat masuk ke dalam mitokondria – dioksidasi menjadi asetil KoA – atom C akan dioksidasi melalui daur TCA menjaadi CO2
• Elektron dari substrat akan dioksidasi melalui rantai transport elektron – menghasilkan H2O + ATP
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
REAKSI JALUR GLIKOLISIS
Glukosa + ATP glukosa 6-P + ADP
Glukosa 6-P fruktosa 6-PFruktosa 6-P + ATP fruktosa 1,6-BP + ADPFruktosa 1,6-BP di-OHaseton-P + gliseraldehid 3-P
Gliseraldehid 3-P + Pi + NAD 1,3-bisfosfogliserat + NADH + H+
1,3-bisfosfogliserat + ADP 3-P gliserat + ATP
3-P gliserat 2-P gliserat
2-P gliserat P-enolpiruvat + H2O
P-enol piruvat + ADP piruvat + ATP
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
GLIKOLISIS AEROBGLIKOLISIS AEROB
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Glikolisis anaerobGlikolisis anaerob• NADH yang terbentuk pada reaksi yang dikatalisis oleh
gliseraldehid 3-P dehidrogenase, di sitosol akan direoksidasi dengan mereduksi piruvat laktat, yang dikatalisis oleh piruvat dehidrogenase (LDH)
• Glukosa piruvat + NADH + H+ laktat + NAD+
• Pada keadaan anaerob – lebih banyak glukosa yang harus dimetabolisme dibandingkan dengan keadaan aerob
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Glikolisis AnaerobGlikolisis Anaerob
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Asetil KoAOksaloasetat
Glukosa
Glukosa 6-PGlikogen
Fruktosa 1,6-BP
Gliseraldehid 3-PDi-OH aseton- P
1,3-BP Gliserat
3-P Gliserat
piruvat
piruvat
ATP
Fruktosa 6-PATP
NAD+
NADH + H+
ATP
ATP
sitrat
KGfumarat
malat
PDH Mitokondria
SitosolLaktat LDH
GLIKOLISIS
HK
PFK
GPDH
PK
TCA cycle
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
DAUR TCA – KATABOLISME ASETIL KOA (Daur Krebs)
• Serangkaian reaksi di dalam mitokodria
• Terjadi oksidasi asetil KoA menjadi CO2
• Koenzim bentuk tereduksi (NADH, FADH) – pada waktu mengalami reoksidasi terkait dengan pembentukan ATP – merupakan substrat untuk rantai pernafasan
• Merupakan jalur metabolisme bersama untuk oksidasi aerobik dari KH, lipid dan asam amino
• Juga berperan pada glukoneogenesis, lipogenesis dan interkonversi asam amino
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
glukosa Asam lemak Asam amino
Asetil KoA
sitrat
isositrat
-ketoglutarae
suksiniKCoAsuksinat
fumarat
malat
oksaloasetat
NAD
2H2H
2H
Fp
KoQ
Sit b
Sit c
Sit aa3
H2O
2H
P
P
P
Fosforilasi oksidatifDaur TCA
O2
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
HMP shunt (Jalur pentosa fosfat)
• Jalur alternatif untuk oksidasi glukosa
• Fungsi – BUKAN untuk menghasilkan energi – untuk menghasilkan NADPH
• NADPH – reduktor intrasel yang penting
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Glukosa G 6-P Ribulosa 5-PNADP NADPH
G6P DH
Ribulosa 5-P Glukosa 6-P
Transketolase, transaldolase
TPP
HMP SHUNT
Tahap I : Fase Oksidatif
Tahap II : Fase Non oksidatif
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
JALUR POLIOL
• Terdapat di berbagai jaringan
• Fungsi – belum diketahui pasti
• Aktivitas jalur poliol – berhubungan dengan berbagai komplikasi pada DM – katarak diabetika, neuropati, nefropati
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
JALUR POLIOL
Glukosa Sorbitol Fruktosa
NADPH + H+ NADP+ NAD+ NADH + H+
Aldosa reduktase Sorbitol dehidrogenase
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
SENYAWA OKSIGEN REAKTIF ( Reactive oxygen species, ROS)
• Senyawa turunan oksigen yang bersifat sangat reaktif
• Terbentuk karena sifat O2 yang dapat mengalami reduksi oleh 1 elektron
• Ada yang tergolong radikal bebas, ada yang nonradikal• Radikal - O2•- ; OH• ; RO2
•, RO•, HO2•, NO•
• Radikal - O2•-, OH•, RO2•, RO•, HO2
•, NO•
• Nonradikal - HOCl ; H2O2 ; O3 ; singlet oksigen; ONOO-
• Nonradikal - HOCl; H2O2; O3 ; singlet oksigen; ONOO-
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
O2
O2-
H2O2
OH•
H2O
e-, H+
e-, H+
e-, H+
e-, H+
oksigen
Anion superoksida
Hidrogen peroksida
Radikal hidroksil
air
Reduksi oksigen menjadi air
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
ROS mempunyai sifat fisiologis dan juga destruktif
Fungsi fisologis – bermanfaat untuk membunuh bakteri pada proses fagositosis
Sifat destruktif – karena dapat bereaksi dengan makromolekul di dalam sel – DNA, protein, lipid
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Serangan ROS terhadap
• Protein - pro, his, arg, met – rentan terhadap serangan ROS – kerusakan oksidatif protein – fragmentasi, cross linking, agregasi protein – perubahan struktur – perubahan fungsi protein
• Lipid - peroksidasi lipid – struktur lipid terganggu - aldehid hasil degradasi peroksida lipid dapat mengadakan cross linking dengan protein
• DNA - kerusakan DNA – mutasi - keganasan - aldehid hasil degradasi lipid dapat membentuk DNA adduct – kerusakan DNA - keganasan
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
PROSES PEROKSIDASI LIPIDAkibat serangan ROS terhadap asam lemak tidak jenuh jamak (PUFA) pada membran3 tahap:1. Inisiasi LH + X- L- + XH PUFA 1 radikal radikal lipid nonradikal2. Propagasi L- + O2 LOO- radikal lipid 1 radikal peroksida lipid
LOO- + LH LOOH + L- radikal peroksida PUFA 2 hidroperoksida radikal lipid 2 lipid lipid3. Terminasi L- + LOO- LOOH L- + vit E LH + vit E- vit E- + L- LH + vit Eox
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
MEKANISME PERTAHANAN TUBUH TERHADAP ROS
• Antioksidan • Kompartementalisasi organel subseluler – Fe2+
terikat pada protein – sehingga tidak dapat bereaksi dengan ROS
• Mekanisme repair tubuh terhadap DNA, protein, asam lemak yang mengalami oksidasi
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
ANTIOKSIDAN
• Enzimatik SOD, katalase, GSH peroksidase, GSH
reduktase
• Senyawa dengan BM rendah GSH, vit C, vit E, karotenoid, flavonoid
• Protein yang meminimalisir oksidan transferin, hemopeksin, haptoglobin,
seruloplasmin
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
O2- H2O2 OH•
2H2O + O2 H2O
2GSH
GSSG
NADP +
NADPH + H+
SOD Fe 2+ Fe 3+
H2O2
katalase GSH Px GSH Rx
Reaksi Fenton
ANTIOKSIDAN ENDOGEN
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
KORNEA(1)• Mata – merupakan perpanjangan jaringan
saraf - metabolisme ~ jaringan saraf – bahan bakar utama adalah glukosa
• Glukosa yang ditangkap oleh kornea – digunakan
- 30 % - untuk glikolisis aerob - 65 % - HMP shunt ( untuk membentuk NADPH)
• Aktivitas HMP shunt di kornea – paling dibandingkan jaringan mamalia lainnya
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
KORNEA (2)
• Kornea mempunyai aktivitas GSH reduktase
• Epitel kornea – permeabel terhadap O2 atmosfir – diperlukan untuk metabolisme aerob – oleh karena itu kornea rentan terhadap pembentukan senyawa oksigen reaktif (reactive oxygen species, ROS)
• Aktivitas HMP shunt dan GSH reduktase – berperan dalam mempertahankan status redoks dalam kornea – diperlukan untuk menetralisir ROS yang dapat merusak kornea
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
protein-S-S-protein
protein-SH
G-SHG-SS-G
NADPH NADP+
ROS
HMP shunt
GR
Protein disulfida di reduksi oleh
glutation reduktase
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
LENSA (1)
• Bagian luar lensa – dilapisi oleh serabut lensa (lens fibers) – yang mensintesis kristalin – protein utama di dalam lensa
• Serabut lensa yang baru mendorong serabut yang lebih lama ke arah pusat lensa – membentuk nukleus lensa
• Organel dalam serabut lensa (nukleus, mitokondria & organel lain) menghilang seiring dengan pematangan serabut lensa
• Lensa bertambah tebal dan berat seiring dengan pertambahan usia dan menjadi kurang elastik
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
LENSA (2)
• Lensa dibasahi di bagian luar oleh aqueous humor dan di bagian dalam oleh vitreous humor
• Lensa aktif dalam metabolisme – walaupun tidak terdapat pembuluh darah yang mensuplai lensa
Protein lensa -, -, - kristalin• Albuminoid• Enzim• Protein membran
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Kristalin
• Merupakan 90 % dari protein bersifat larut dalam lensa
• Merupakan protein berumur panjang – kerusakan kristalin – bersifat kumulatif
• Susunan kristalin – penting untuk mempertahankan kejernihan lensa
• Denaturasi, oksidasi dan agregasi kristalin – menyebabkan kekeruhan lensa
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Protein lensa – harus dipertahankan dalam bentuk alamiah, tidak beragregasi
Lensa sangat sensitif terhadap perubahan
• status redoks – dipertahankan oleh GSH reduktase• osmolaritas – dipertahankan oleh Na+/K+- ATPase• iradiasi sinar UV • pe kadar metabolit
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Glukosa yang digunakan oleh lensa
• 85 % - untuk pembentukan energi melalui glikolisis
• 10% - untuk HMP shunt
• 3 % - untuk daur TCA (metabolisme aerob) – terutama oleh sel yang terdapat di perifer
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
KATARAK• Kekeruhan lensa yang disebabkan oleh
perubahan kelarutan dan agregasi protein lensa
• Katarak senilis – perubahan kristalin kristalin – yang disebabkan perubahan usia – akibat deamidasi, rasemisasi terutama residu aspartat dari kristalin
• Katarak diabetika – disebabkan oleh pe osmolaritas di dalam lensa – oleh karena pe aktivitas aldosa reduktase dan poliol dehidrogenase dari jalur poliol
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
KATARAK DIABETIKA
• DM – terdapat hiperglikemia – kadar glukosa di dalam lensa juga ( karena tidak dipengaruhi oleh insulin) – glukosa diubah menjadi sorbitol oleh aldosa reduktase – dan kemudian oleh sorbitol / poliol dehidrogenase diubah menjadi fruktosa
• Akumulasi sorbitol & fruktosa – menyebabkan pe osmolaritas lensa dan denaturasi protein – terjadi kekeruhan lensa – katarak diabetika
• N – aktivitas aldosa reduktase di dalam lensa tidak signifikan – karena Km untuk glukosa
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Lensa juga mengandung metabolit triptofan – dapat mengabsorbsi sinar UV, tetapi bila paparan sinar UV terlalu >> - bersifat sebagai photosensitisizer – membentuk singlet O2 menyebabkan kerusakan dan cross-linking protein lensa
Paparan lama terhadap sinar UV – faktor risiko untuk terjadinya katarak
Isolat protein dari lensa katarak – mengandung produk kerusakan protein oksidatif
Lensa katarak – ditemukan kadar H2O2 , kadar GSH
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Glukosa Glukosa 6-P
Sorbitol
Fruktosa
NADPH + H+
NADP+
G 6-P dehidrogenase
NADP+
GSSG
GSH
NAD+
NADH + H+
Poliol dehidrogenase
Interelasi metabolisme di
dalam lensa
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
VITREOUS HUMOR
• Mengandung asam hialuronat
• Serangan ROS – menyebabkan depolimerisasi asam hialuronat – hilangnya viskositas
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
RETINA• Retina merupakan jaringan yang vaskular,
tetapi tidak ditemukan pembuluh darah di daerah fovea centralis
• Mitokondria terdapat di sel retina, kerucut (cone) & batang (rod), tetapi tidak ditemukan di bagian segmen luar kerucut dan batang ( di tempat terdapatnya pigmen penglihatan)
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
RETINA
• Uptake O2 retina - oleh karena keperluan energi yang untuk neurotransmisi, sintesis dan daur ulang molekul yang berperan penting pada penglihatan
• Iskemia singkat – dapat menyebabkan gangguan penglihatan ireversibel
• Uptake O2 - konsekuensi terhadap pembentukan ROS
• Lipid pada sel kerucut dan batang – mengandung >> PUFA (terutama DHA) – rentan terhadap proses peroksidasi lipid
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
RETINA
• Rodopsin dapat mengalami sensitisasi membentuk singlet O2
• Segmen luar fotoreseptor – mengandung DHA paling dibandingkan jaringan lainnya – paparan terhadap cahaya – dapat menginduksi peroksidasi lipid – membentuk peroksida lipid – dapat merusak protein retina
• Defisiensi Se dan vitamin E – dapat menyebabkan pe kadar PUFA dan akumulasion produk fluroresen dari retinal pigment epithelium (RPE)
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Antioksidan enzimatik ditemukan di semua bagian mata
• Glutation peroksidase• Katalase• Glutation S-transferase• Superoksida dismutase (SOD) - CuZnSOD – terdapat di semua bagian mata – sangat rentan terhadap reaksi glikasi (~ pada DM) dan reaksi dengan H2O2
- MnSOD - >> di RPE
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Epitel kornea mengandung
• Asam askorbat• GSH• SOD (superoksida dismutase )• Katalase & GSH peroksidase• Feritin - mengkelasi ion Fe - diduga berperan penting dalam melindungi DNA dari sinar UV - paparan sinar UV – menyebabkan translokasi feritin dari sitosol ke nukleus
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Bagian luar kornea – dibasahi oleh air mata - mengandung
• >> asam askorbat• asam urat melindungi kornea dari polutan seperti O3, NO2
dan SO2
• laktoferin – mengkelat Fe iritasi mata – produksi air mata >> melindungi
mata dari reaksi radikal yang Fe-dependent
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Antioksidan di dalam lensa
• Lensa mengandung GSH - kadar dalam lensa ~ kadar hati
• Kadar GSH paling di dalam epitel lensa, paling di dalam nukleus lensa
• GSH melindungi gugus –SH kristalin – melindungi kristalin dari agregasi – melindungi dari kekeruhan lensa
• Kemampuan lensa untuk mensintesis GSH me dengan bertambahnya usia – faktor predisposisi untuk pembentukan katarak
• Rasio GSH/GSSG di dalam lensa – dipertahankan tetap oleh glutation reduktase yang memerlukan NADPH dari HMP shunt
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Segmen luar dari kerucut dan batang dan RPE - >> mengandung -tokoferol
• Defisiensi of -tokoferol pada binatang percobaan – menyebabkan kerusakan sel dan akumulasi lipofusin dalam RPE
• Kadar -tokoferol – sebanding dengan keparahan katarak
• Bayi prematur – biasanya diberi O2 tekanan - dapat menyebabkan ROP (retinopathy of prematurity) – ternyata kadar -tokoferol
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
Asam askorbat – ditemukan di dalam air mata, kornea, aqueous humor, lensa, vitreous humor dan RPE
• Kornea mengandung asam askorbat dengan konsentrasi paling – penting untuk melindungi kornea dari sinar UV
• Binatang yang aktif pada waktu malam (nocturnal animal) – kadar asam akcorbat dalam mata
Asam askorbat dapat • Mendaur ulang radikal -tokoferol • Berinteraksi dengan GSH• Menangkal singlet O2, O2
-, OH dan ROS lainnya
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB
• Defisiensi asam askorbat dalam diet hewan coba selama berbulan-biulan – pe kadar asam askorbat, GSH dan -tokoferol
• Degradasi asam askorbat dapat diinduksi oleh cahaya – menyebabkan pe the kadar H2O2
• Pada keadaan teroksidasi – asam askorbat dapat mengadakan reaksi glikasi dengan protein, termasuk kristalin
• Studi epidemiologik – menunjukkan bahwa asam askorbat mempunyai manfaat untuk mata
sriwidiaaj/biokimiamata/PSPD UNIB