BIOSINTESIS DAN PENGGOLONGAN METABOLIT

SEKUNDER Mata Kuliah: Bahan Farmasi Alami

Dosen Pengampu: Dr. Islamudin Ahmad, M.Si., Apt

• Biosintesis adalah suatu proses katalisis oleh enzim yang terjadi dalam organisme hidup, dimana substrat diubah menjadi senyawa lain (produk) yang biasanya memiliki struktur lebih kompleks

• Biosintesis ini dilakukan untuk menghasilkan senyawa-senyawa esensial dan dasar reaksi-reaksi kehidupan misalnya gula(karbohidrat) untuk menghasilkan energi, asam amino untuk membangun jaringan dan biokatalis, asam lemak untuk membangundinding sel dan cadangan energi.

• Tanpa metabolit primer ini dasar-dasar hayati tidak ada dan metabolitsekunder juga tidak bisa diproduksi.

Pengertian

• Metabolit primer terdiri dari 3 golongan utama yaknikarbohidrat, protein dan lemak.

• Glukosa esensial untuk menghasilkan energi, asam amino vital untuk menghasilkan berbagai hormon dan neuro transmitter, lemak untuk membangun jaringan.

• Setiap metabolit primer ini akan bersenyawa membentuk polimeratau ikatan yang lebih kompleks membentuk jaringan tubuh.

• Jaringan otot tersusun dari pensenyawaan kompleks protein, dindingsel tumbuhan atau cangkang binatang dibentuk dari persenyawaanantar karbohidrat, jaringan lemak disusun oleh persenyawaan lemak.

• Antar metabolit primer ini juga akan saling membentuk persenyawaandalam membangun sel-sel dan jaringan kemudian organ.

• Adapun sifat-sifat kimiawi metabolit primer, memiliki berat molekul kecil mulai dari 80-300 Dalton/amu, larut dalam air (gula dan asam amino) atau tidak larut air misalnya asam lemak, jika saling berikatanmembentuk senyawa dengan berat molekul sangat besar (BM >1000-100.000 d).

• Secara farmakologis, senyawa metabolit sekunder memiiliki berbagaiaktifitas biologis: anti bakteri, anti infeksi, anti kolesterol, anti kanker, anti diabetes dll

• Glukosa, adalah metabolit primer untuk bahan energik ehidupan dan darinya berbagai metabolit sekunder juga berasal.

Tujuan memahami biosintesis metabolit sekuder1. Biosintesis digunakan untuk membangun paradigma berpikir dan meringkas keterhubungan

antar senyawa.

2. Keteraturan pola struktur. Dengan memahami kerangka dan jalur asal biosintesis suatugolongan senyawa bisa digunakan untuk membantu menentukan struktur kimia. Inti kerangkasenyawa-senyawa metabolit sekunder memiliki keteraturan pola dan memiliki bentuk yang seragam di dalam keragaman sehingga penentuan struktur (elusidasi struktur) cukup terbantudengan pemahaman kerangka biosintesis.

3. Desain obat modern. Dengan memahami jalur biosintesis dan mekanisme penyakitdimungkinkan desain obat (sintesis obat dan QSAR (Quantitative-Structure Activity Relationship) atau HKSA (Hubungan Kuantitatif Struktur-Aktivitas)) berdasarkan pola interaksipenyakit dan target obat yang lebih selektif.

4. Aspek selektifitas. Terkait kondisi patologis (biokimiawi penyakit), biosintesis terkait dengan berbagai mekanisme penyakit dan pengobatan. Dengan memahami mekanisme dan jalurbiosintesis pembentukan senyawa penyebab penyakit maka dimungkinkan memilih target, mengeblok atau meminimalkan senyawa biologis penyebab penyakit.

5. Aplikasi bioteknologi untuk produksi. Dengan diketahuinya jalur biosintesis senyawa tertentu, melalui bioteknologi kuantitas produk senyawa bermanfaat seperti obat yang dihasilkan bisa dinaikkan. Jika senyawa kimia hanya bisa dihasilkan dalam jumlah amat kecil misal taksol atau vinkristin maka produksinya bisa ditingkatkan melalui potensi rekayasa genetika atau manipulasi media fermentasi.

• Berbagai mekanisme penyakit dan target obat baru ditemukandengan biosintesis, misalnya target biosintesis kolesterol, target enzimpengganggu insulin, target penggangu asetil kolin pada Alzhaemer’s .

• Ilmu biosintesis bukanlah ilmu yang mati dan statis namun berbagaimisteri besar kehidupan ada di dalamnya dan akan terus berkembangdan ditemukan terutama di dunia biologi/kedokteran.

Istilah Utama dalam Proses Biosintesis

• Starting material: adalah senyawa sederhana yang biasanya cukup stabil secara kimiawi dan menjadi bahan baku biosintesis misalnya asam laktat glukosa, fruktosa, dan senyawa gula lain.

• Prekursor: adalah senyawa yang terbentuk dari starting material namun bukanproduk akhir, seringkali prekursor ini ditambahkan dari luar untuk meningkatkanproduk. Prekursor kebanyakan merupakan asam amino.

• Biokatalis: sebagaimana pengertian katalis pada umumnya namun katalis di dalam biosintesis secara khusus adalah enzimenzim pembantu reaksi.

• Jalur biosintesis atau pathway: adalah rangkaian tahapan reaksi perubahan starting material menjadi metabolit.

• Produk: senyawa terakhir yang dihasilkan, yakni senyawa senyawa poliketida (C2), terpenoid (C5), senyawa fenil propanoid (C9) sebagai kerangka utama, senyawa alkaloid, dan senyawa campuran.

Alur biosintesis metabolitsekunder

• Starting mula-mula adalah air dan CO2 (fotosintesis) yang menunjukkan bahwa fotosintesisadalah proses biokimiawi dasaryang mendasari kehidupan.

• Dari fakta ini tampak sekali bahwa air adalah starting material mula-mula semuamakhluk hidup

Penggolongan Metabolit Sekunder

1. Golongan asetat (C2): poliketida dan asam lemak.

2. Golongan mevalonat dan deoksisilulosa (C5): terpenoid

3. Golongan sikimat: fenil matanoid (C7) dan fenil propanoid(C9)

4. Golongan alkaloid

5. Golongan campuran: kombinasi antar metabolit sekunder ataumetabolit sekunder dengan metabolit primer.

Golongan senyawa poliketida dan asam lemak (C2) • Senyawa C2 digolongkan menjadi 2 yakni golongan poliketida dan turunan

asam lemak. • Asam asetat adalah building block dan kerangka dasar golongan ini.

Sehingga jumlah karbon golongan metabolit sekunder ini berjumlah 2 dan kelipatannya (C2 x n).

• Senyawa ini sangat luas distribusinya. Mulai dari makhluk jasad renik, tumbuhan dan vertebrata menghasilkan senyawa golongan ini.

• Berbagai golongan antibiotik, asam lemak, bahkan aflatoksin penyebabhepatitis adalah senyawa-senyawa poliketida.

• C2 jika membentuk struktur siklik maka ia menjadi poliketida dan jika membentuk rantai alifatik panjang maka membentuk kerangka asam lemak.

1. Golongan asetat (C2): poliketida dan asam lemak.

Biosintesis senyawa poliketidadiawali dengan kondensasi satumolekul malonil-KoA dgn satumolekul asetil-KoA. Untuk membentuk poliketidasederhana (asetoasetil-KoA. Pada reaksi Claisen, satumolekul CO2 dan satu molekul HSKoA terbentuk. Reaksi ini terjadi karena karbon diantarakedua gugus karbonil malonil-KoA (bersifat asam) merupakan nukleofilik dan dapat menyerangpusat elektropositif (misalnyakarbon pada gugus karbonil.

Ciri-Ciri Senyawa Poliketida

• Strukturnya tersusun dari rantai karbon dengan kelipatan 2 sehingga disebut C2, karena berasal dari starting material asetat: nCH3CO2H → -[CH2CO]n-. Adapun jumlah karbonakhir bisa kehilangan 1 atau kelebihan bisa terjadi.

• Kadang membentuk cincin benzen aromatis

• Jika cincin benzen biasanya mengandung lebih dari satu gugus hidroksil (-OH) atau alkoksi(-OR) maka gugu-gugus tersebut akan berposisi meta satu sama lain.

Dimana R = alkil, H, N, dll

• Jika membentuk rantai panjang dan berakhiran dengan gugus karboksilat maka disebutgolongan asam lemak.

• Rantai panjang tersebut kadang mengalami siklisasi

Ciri Sekunder

• Semakin panjang rantai karbon maka semakin larut dalam pelarut non polar, namun semakin banyak gugus hidroksil maka kelarutanmakin tinggi pada pelarut polar seperti metanol.Catatan: jumlah karbon di dalam struktur bisa kurang satu atau kelebihan 1 ditoleransi dan tidak strict rumus C2, C5, C9. Karena proses di alam oleh reaksi enzimatis.

• Diproduksi oleh hampir semua makhluk hidup, dari makhluk tingkatrendah bakteri, alga, jamur, tumbuhan dan mamalia hingga manusia.

Mekanisme biosintesis golongan poliketida

• Jika ester poli-β-keto melipat sebagai A1, kemudian kehilangan 1 proton, diikuti oleh reaksi Claisen intramolekuler pada senyawa antara A2 akan dihasilkan pembentukan enolat poliketida siklik A3 yang akan menyusun ulang menjadi senyawa keto dengan pelepasananion SKoA, menghasilkan keton A4. keton ini akan segera mengalamitautomerisme ketoenol menjadi trifenol aromatic A5 (floroaetofenon).

• Jika ester poli-β-keto melipat sebagai B1, Kemudian mengalamitambahan 1 proton, maka terjadi reasi reaksi aldol pada senyawa antara B2 dengan cara menyerang karbonil oleh karbon asam akanterbentuk alcohol menghasilkan senyawa antara B3, kemudian alcohol ini didehidrasi menjadi alkena terkonjugasi B4, dan mengalami tautomerisasi melalui hidrolisis tioester –SKoA, terbentukasam fenolat aromatic B5 (asam orselinat).

• Sifat reaktif dari ester poli-β-keto berguna dalam banyak obat dan karena merupakan prekursor awal yang kaya oksigen, bahan alam yang dihasilakan biasanya kaya akan gugus kimia fungsional.

• Kelompok keton seringkali masih ada, tetapi mengalami reduksi menjadi alkohol dan pembentukan ester lazim terjadi dan banyak poliketida, terutama antibiotik tertentu dan agen antitumor, juga terdapat sebagai glikosida.

Identifikasi Golongan Poliketida• Secara kimiawi: dikarenakan beragam strukturnya, maka tidak ada reagen khusus penciri

golongan poliketida.

• Biasanya identifikasi didasarkan pada reaksi gugus fungsional kemudian diidentifikasi perubahan warna yang terjadi atau pergeseran pada Panjang gelombang tertentu.

• Contohnya jika bergugus fenolik maka potensial dikopling dengan senyawa pengkelat sehinggalarutan lebih gelap. Sedangkan pencirian fisis dengan menggunakan lampu UV biasanya akanmemberikan pemadaman pada 254 nm dan warna tertentu pada 366 nm.

• Jadi tidak terlalu spesifik. Walaupun reagen anilin bisa mengidentifikasi cincin benzene namunakan bias dengan golonganfenil propanoid. Untuk identifikasi modern penggunaan reagen kimiawi destruktif era sekarangsudah dihindari

• Untuk golongan asam lemak mudah dicirikan berdasarkan sifat fisis yang meninggalkan noda semi transparan pada kertas. Di bawah sinar UV asam lemak tidak memberikan pemadamanflouresensi.

• Dengan spektra NMR: jika memiliki proton pada gugus aromatis maka akan memberikan sinyalgeseran kimia sekitar δ 6-8 ppm. Jika mengadung proton rantai panjang karbon ikatan tunggal (-CH2-) maka akan memberikan sinyal antara δ 1-2,8 ppm, beberapadiantaranya overlap. Jika mengandung proton dengan ikatan ganda maka akan menunjukkan peak sekitar δ 5-6,5 ppm.

Asam Lemak dan Gliserida• Asam lemak tersebar luas dan merupakan bagian dari biokimia umum semua

mikroorganisme, terutama sebagai komponen membrane sel.

• Pada umumnya tidak larut dalam air dan larut dalam pelarut organic heksana, dietil eter, dan kloroform.

• Kadang-kadang disebut minyak jenuh atau lemak.

• Gliserida merupakan ester asam lemak propane-1,2,3-triol (gliserol).

• Gliserida terkadang disebut sebagai bahan alam yang dapat disaponifikasi, yang berartibahwa bahan tersebut dapat diubah menjadi sabun oleh basa kuat (NaOH).

• Istilah dapat disaponifikasi berasal dari Bahasa latin “Sapo” yang berarti “sabun”.

• Saponifikasi asam lemak dan gliserida dengan NaOH dapat menghasilkan garam natrium asam lemak tersebut.

• Asam lemak sangat penting sebagai bahan pembentuk dan pembawadalam obat dan sebagai komponen bahan kosmetik dan sabun.

• Asam lemak jenuh banyak terdapat dialam→ asam miristat, asam palmitat, dan asam stearat→ pada umumnya berbeda dalam 2 gugusmetilen dan tidak memiliki ikatan rangkap.

• Asam lemak takjenuh mengandung jumlah ikatan rangkap yang bervariasi.

• Contoh • Asam oleat merupakan komponen utama minyak zaitun dari pohon zaitun

(Olea europaea: family Oleaceae)• Asam α-linoleate merupakan komponen utama minyak biji rami dari Linum

usitatissum (Linaceae), dan digunakan pada linimen dan sebagai zat aditifyang sangat penting dalam cat berbasis minyak.

• Asam risinoleat merupakan kandungan minyak jarak dari biji Ricinuscommunis (Euphorbiaceae) yang digunakan sebagai obat pencahar rumahtangga

• Asam lemak politakjenuh→mempunyai tiga atau lebih ikatan rangkap dan terutama bermanfaat dalam makanan sebagai antioksidan.

• Contoh minyak atau kapsul yang mengandung minyak hati dari ikan koddan ikan habilut.

• Minyak alami yang kaya akan asam lemak dan gliserida jg digunakan sbgkomponene formulasi oral dan pembawa untuk injeksi farmasetik→minyak coklat, zaitun, almond, dan kelapa.

• Pada manusia, lemak jenuh adalah precursor biosintesis, kadar serumkolesterol yang tinggi menyebabkan penyakit jantung melaluipembentukan plak aterosklerosis di dalam arteri.

• Dengan menurunkan asupan lemak atau dengan mengonsumsi makanankaya lemak tak jenuh (terutama lemak politakjenuh), resiko penyakitjantung akan menurun.

Tetrasiklin• Merupakan turunan poliketida yg berstruktur tetrasiklik (memiliki

empat cincin beranggota-enam yang linier dgn asal nama golonganini)

• Ditemukan dalam suatu program skrining ekstrak yang dihasilkan olehbakteri berfilamen (Actinomycetes) yg byk trdpt didlm tanah. →terutama dari genus Streptomyces → contoh obat antibiotic tetrasiklin dan senyawa antitumor antrasiklik

• Golongan antibiotic ini telah lama diketahui dan memiliki spektrum aktivitas sangat luasterhadap bakteri Gram-positif dan Gram-negatif, spiroket, mikoplasma, riketsia dan klamidia.

• Tetrasiklin berasal dari mutan Streptomyces aureofaciens dan analog sejenisnyaoksitetrasiklin berasal dari S. rimosus.

• Banyak digunakan untuk obat jerawat, dan sebagai sediaan oral/injeksi.• Minosiklin memiliki spektrum aktivitas yang telah lama dianjurkan untuk pengobatan

infeksi saluran napas dan saluran kemih serta profilaksis untuk meningitis.

• Doksisilin digunakan untuk mengobati infeksi dada akibat Mycoplasma dan Chlamydiadan juga pernah digunakan sebagai profilaksis terhadap malaria di daerah yang insidenresistensi obatnya tinggi

Griseofulvin

• Berasal dari fungi Pencillin griseofulvin yang merupakan senyawa spiro→artinya memiliki dua cincin yang tergabung dalam satu karbon.

• Awalnya senyawa ini digunakan untuk mengobati infeksi jamur pada hewan dan tanaman

• Tetapi kini dianjurkan untuk pengobatan sistematis infeksi dermatofit fungipada kulit, rambut, dan kuku yg disebabkan oleh fungi (Trichophyton,Epidermophyton, dan Microsporum)

• Penggunaan utamanya adalah tinea pada hewan

Eritromisin (Makrolida)• Eritromisin A adalah poliketida kompleks dari

Saccharopolyspora erythrea (Actynomycetes)yang merupakan bakteri berfilamen.

• Memiliki 12 atau lebih karbon di dalam system cincin utamanya.

• Memiliki sifat terpenting dari bahan alam,yakni sangat kiral (memiliki pusat stereokimia)dan memiliki banyak gugus fungsional yang berbeda, sperti gula, gula amino, lakton, ketondan gugus hidroksil.

• Antibiotik ini dipasarkan sebagai campuranyang terutama mengandung Eritromisin A dengan sejumlah kecil Eritromisin A dan B

Statin• Pemberian nama statin dikarenakan kemampuannya menurunkan (menyebabkan

statis) produksi kolesterol, kadar tinggi kolesterol yang menjadi faktor utamapenyakit jantung

• Senyawa ini bekerja dengan cara menghambat enzim hidroksimetilglutaril-KoA(HMG-KoA) reductase yang menkatalisis konversi HMG-KoA menjadi asam mevalonat. Yang merupakan senyawa antara utama antara dalam biosintesiskolesterol.

• HMG-KoA reductase menjadi target utama untuk penemuan inhibitor bahan alammevastatin, yang awalnya diisolasi dari kultur fungi Penicillin citrinum dan P. brevicompactum.

• Setelah penemuan tersebut, analog metal lovastatin diisolasi dari Munascusruber dan Aspergillus terreus.

• Simvastatin merupakan analog dimetil mevastatin dan ketiganya merupakan senyawa pro-drug, yang diaktivasi oleh hidrolisis (pembukaan cincin) cincin laktonmenjadi asam β-hidroksi oleh enzim hati.

• Pravastatin (lipostat) diproduksi secara semi sintesis melaluihidroksilasi mevastatin oleh mikroba Streptomyces carbophillus.

• Cincin lakton yang terbuka membentuk asama β-hidroksi yang sudah dikonversi menjadi garam natrium, sehingga meningkatkan sifathidrofiliknya.