TUGAS KIMIA ORGANIK SENYAWA METABOLIT SEKUNDER POLIKETIDA
OLEH: FITRI PUJI ASTRIA (I2E 014 007)
PROGRAM MAGISTER PENDIDIKAN IPA UNIVERSITAS MATARAM 2015
BAB I PENDAHULUAN
Salah satu ciri makhluk hidup adalah adanya proses reaksi kimia yang teratur yang dikenal sebagai metabolismee. Senyawa-senyawa kimia yang terlibat dalam proses metabolisme dikenal sebagai metabolit. Metabolit yang ditemui di semua organisme disebut metabolit primer, yakni senyawa kimia yang esensial untuk proses hidup sehingga ditemukan pada semua organisme (Raharjo, 2013). Metabolit yang kita kenal pada level makromolekul antara lain karbohidrat, protein, lipid dan asam nukleat. Selain metabolit primer, kita juga mengenal istilah metabolit sekunder. Metabolit sekunder adalah metabolit antara atau produk metabolismee yang ditemukan secara unik pada suatu kelompok taksonomi organisme tertentu, bukan merupakan senyawa yang esensial untuk hidup dan tumbuh dan dibiosintesis dari satu atau lebih metabolit primer dengan jalur biosintesis yang berbeda dibanding jalur metabolisme pada umumnya. Metabolit sekunder berhubungan dengan sifat mempertahankan hidup organisme atau tanaman penghasil. Tanaman merupakan sumber utama metabolit sekunder, namun beberapa organisme lain seperti bakteri, jamur dan hewan juga dapat menghasilkan metabolit sekunder. Golongan bakteri dan jamur merupakan penghasil metabolit sekunder yang telah berhasil dikembangkan sebagai antibiotik. Berdasarkan penggolongannya, metabolit sekunder dibedakan atas struktur senyawanya serta jalur biosintesis pembentukannya. Beberapa golongan metabolit sekunder utama adalah terpena dan terpenoid, poliketida, fenilpropanoid, flavonoid, steroid dan alkaloid. Pada makalah ini selanjutnya akan dibahas metabolit sekunder jenis poliketida meliputi karakteristik, biosintesis, sumber dan kegunannya. Poliketida termasuk ke dalam golongan polifenol, sama halnya dengan fenil propanoid, akan tetapi berbeda dalam jalur biosintesisnya.
BAB II ISI A. Karakteristik
Poliketida merupakan senyawa polifenol, sebagian besar diantaranya mempunyai gugus karbonil yang berkonjugasi dengan ikatan rangkap, C=C-C=O. Oleh karena itu, senyawa poliketida dapat menyerap sinar dari panjang gelombang di daerah tampak atau daerah ultraviolet Sebagaimana bahan alam lainnya (terpenoid, steroid dan fenilpropanoid) senyawa-senyawa poliketida dapat diklasifikasikan berdasarkan pola-pola struktur tertentu yang berkaitan dengan jalur biogenetik dari masing-masing jenisnya. Berdasarkan struktur molekul, poliketida dapat dibedakan atas beberapa jenis, antara lain ialah turunan asilfloroglusinol, turunan kromon, turunan benzokuinon, turunan naftakuinon, dan antrakuinon. Senyawa-senyawa poliketida tersebut mempunyai kerangka dasar aromatic yang disusun oleh beberapa unit yang terdiri dari dua atom karbon (C2). Unit-unit C2 ini membentuk suatu rantai karbon yang linear, yakni dari asam poli-βketokarboksilat, yang disebut rantai poliasetil. Di samping itu, semua senyawa ini mempunyai pula suatu ciri khas : cincin aromatik dari senyawa-senyawa ini mempunyai pola oksigenasi yang berselang-seling. (Achmad, 1986). Selain itu dalam Raharjo (2013) dinyatakan bahwa poliketida sebagai metabolit sekunder yang mempunyai struktur dasar poliketon dengan beberapa gugus karbonil yang diselingi rantai metilena dan dibentuk dari reaksi kondensasi senyawa karbonil. Siklisasi dan reduksi poliketida dapat menghasilkan cincin aromatis. Berdasarkan sumbernya, poliketida merupakan bagian dari hasil alam yang dapat ditemukan pada kelompok bakteri, jamur dan tanaman dan termasuk ke dalam banyak obat-obatan penting seperti tetracycline, daunorubicin, erythromycin, rapamycin and lovastatin (Shen, 2003). Beberapa karakteristik dan sifat senyawa yang termasuk dalam turunan poliketida akan diuraikan sebagai berikut :
1. Turunan Kromon Senyawa-senyawa turunan kromon adalah salah satu jenis poliketida yang mengandung cincin γ-piron. Turunan 2-metilkromon yang ditemukan di alam adalah senyawa-senyawa dimana cincin γ-piron terlebur dengan cincin benzene menghasilkan kerangka benzopian-4-on. Beberapa senyawa 2-metilkromon yang ditemukan di alam ialah 5-hidroksi-2-metilkromon, eugenetin,
pucenin, visnagin dan khelin. Kerangka dasar benzopiron seringkali tersubtitusi pada atom karbon di sebelah gugus fenol, baik oleh gugus metil (eugenetin), maupun oleh unit isoprene (pucenin). Dalam bentuk yang lebih kompleks, cincin benzopiron dari kromon dapat pula terlebur dengan cincin furan (visnagin). Sebagai turunan benzopiron, maka kromon memiliki banyak persamaan sifat dengan kumarin (fenil propanoid). Akan tetapi memiliki spektrum ultraviolet dan spektrum inframerah yang berbeda yang diakibatkan distribusi elektron π yang berbeda pula. Selain itu kromon memiliki kebasaan yang lebih besar daripada kumarin. Berikut gambar struktur molekul salah satu turunan kromon, yakni 5-hidroksi-2-metilkromon : O
OH
Me
O
5-hidroksi-2-metilkromon
Gambar. 1
2. Turunan Kuinon Senyawa-senyawa kuinon adalah zat warna yang tersebar luas di alam. Senyawa-senyawa ini dapat dibedakan atas tiga jenis utama, yakni benzokuinon, naftakuinon dan antrakuinon. Diantara ketiga jenis kuinon ini, antrakuinon merupakan kelompok yang terbesar, dan hampir semua senyawa ini adalah polifenol atau turunan alkoksinya dan mengandung sebuah substituen pada posisi β. Substituen ini terdiri dari satu atom karbon (C1) dengan berbagai tingkat oksidasi, yakni – CH3, -CH2OH, -CHO, -COOH. Fenomena ini terlihat pada senyawa rubiadin, lusidin, damnakantal dan munjistin. Antrakuinon merupakan metabolit sekunder dengan dua cincin aromatis di samping dengan struktur siklik ditengah mengandung diketon. Antrakuinon kebanyakan terdapat pada jamur sehingga enzim PKS (polyketide synthase) yang terlibat sebagian besar termasuk dalam PKS tipe 2. Antrakuinon dalam bentuk glikosida meningkatkan kelarutan dalam air sehingga aktivitas biologisnya juga dapat teramati. Hipercisin merupakan antrakuinon yang terdapat pada tanaman Hipericum perforatum, yang mempunyai aktivitas untuk mengobati
depresi dan antivirus sehingga sedang dikaji aktivitasnya me lawan HIV. Jenis antrakuinon lainnya adalah endokokrin (gambar 2) , yang terdapat pada jamur Pinicillium dan Aspergillus. O
HO
COOH
OH
O
OH
endokokrin
Gambar. 2
Salah satu sifat yang khas yang membedakan senyawa-senyawa kuinon dari senyawasenyawa bahan alam lainnya ialah sifat redoks. Kuinon pada reduksi, dengan reduktor lemah, menghasilkan senyawa yang tidak berwarna (atau berwarna pucat) yang dapat dikembalikan kepada warna semula pada oksidasi. Prinsip dari reaksi ini dapat dilakukan dengan menggunakan natriumborohidrida (NaBH4), sedangkan oksidasi kembali dapat terjadi dengan pengaliran udara.
3. Poliketida Non Asetat Poliketida non asetat tidak seperti turunan kromon dan antrakuinon yang secara umum berasal dari kondensasi asetil-CoA dengan malonil CoA sebagai prekusornya, maka poliketida non asetat menggunakan 4-hidroksisinamoil-CoA atau p-koumaril-CoA sbagai prekusor staternya menggantikan asetil-CoA. Kondensasi dengan malonil-CoA menghasilkan senyawa tetraketida yang sudah mengandung strutur fenolik. Selain itu prekusor starter yang lain yakni heksanoil-CoA dengan malonil-CoA. Kondensasi ini terjadi pada tanaman ganja Cannabis sativa dengan hasil kondensasi berupa tetraketida akan mengalami kondensasi aldol dengan bantuan enzim olivetolatic synthase (OLS) menghasilkan asam olivetolat. heksanoil-CoA juga merupakan prekursor starter pada reaksi kondensasi dengan 7 malonil-CoA pada biosintesis aflatoksin, senyawa toksik yang dihasilkan jamur Aspergillus flavus yang tumbuh pada biji-bijian seperti pada kacang. Sebagai tambahan terdapat senyawa tetrasiklin yang dihasilkan melalui kondensasi poliketida. Prekursor yang berkondensasi dengan malonil-CoA adalah kelompok senyawa malanoamil-CoA seperti malonat semiamida. Tetrasiklin merupakan senyawa antibiotik yang
sudah dikenal dan mempunyai aktivitas yang luas terhadap mikroba dan telah digunakan dalam bentuk obat oral. Di alam, tetrasiklin dihasilkan oleh bakteri Streptomyces.
4. Makrolida Selain bervariasi dalam hal prekursor starter senyawa yang berkondensasi dengan malonilCoA, senyawa poliketida juga dihasilkan dari kondensasi dengan prekursor extender selain malonil-CoA, diantaranya dengan metilmalonil-CoA. Metilmalonil-CoA berasal dari karboksilasi propionil-CoA dan bukan dari metilasi malonil malonil-CoA. Antibiotik makrolida merupakan contoh senyawa poliketida yang kondensasinya melibatkan campuran propionate (metilmalonilCoA) dan asetat (malonil-CoA). Makrolida merupakan kelompok senyawa yang memiliki aktivitas antibiotik yang ditandai dengan struktur cincin makrosiklik lakton biasanya merupakan cincin beranggota 12, 14 dan 16. Eritromisin merupakan senyawa makrolida cincin 14 yang merupakan senyawa makrolida yang pertama kali dikarakterisasi dari Saccharopolyspora erythraea. Eritromisin berada dalam bentuk glikosida dengan salah satu gulanya berupa asam amino. Biosintesis eritromisin melibatkan kondensasi kondensasi propionil-CoA dengan 6 metilmalonil-CoA. Enzim PKS yang terlibat dalam biosintesis eritromisin mempunyai kemampuan untuk melakukan modifikasi reduksi maupun dehidrasi, tetapi modifikasi tidak terjadi pada semua gugus keto. Berikut gambar struktur molekul eritromisin : O
OH
O
OH
OH
O
eritromisin
Gambar. 3
5. Statin Sistem siklisasi poliketida sebelumnya hanya melibatkan reaksi aldol atau reaksi Claisen. Pada senyawa statin proses siklisasi yang terjadi adalah mekanisme reaksi Diels-Alder. Pada reaksi
Diels-Alder suatu struktur diena berkondensasi dengan suatu ena akan menghasilkan sikloheksana. Mevasatin, statin yang dihasilkan oleh Penicillum citrinum dan lovastatin senyawa statin yang dihasilkan pada Monascus ruber dan Aspergillus terreus merupakan dua contoh senyawa statin yang cukup terkenal. Biosintesis senyawa-senyawa ini melibatkan kondensasi asetil-CoA dengan 8 malonil-CoA yang diikuti satu metilasi dengan menggunakan metionin untuk lovastatin. Mevastatin dan lovastatin merupakan metabolit yang mempunyai aktivitas inhibisi terhadap enzim HMG-CoA reduktase. Aplikasi dari aktivitas ini adalah lovastatin dapat digunakan sebagai obat antihiperkolesterol. Berikut gambar struktur molekul dari lovastatin : HO
O
O O
O
H
lovastatin
Gambar. 4
B. Biosintesis
Asam asetat (suatu C2) adalah unit struktur yang paling umum digunakan oleh organisme untuk menghasilkan senyawa-senyawa bahan alam dan merupakan sumber utama bagi atom karbon
untuk
pembentukan
poliketida.
Biosintesa
poliketida
sangat
menonjol
dalam
mikroorganisme, seperti bakteri, kapang dan lumut tetapi tidak begitu berarti dalam tumbuhan tinggi (Achmad, 1986). Selanjutnya dalam Achmad dijelaskan pula bahwa p ada tahun 1893, Collie untuk pertama kalinya telah menyarankan bahwa senyawa-senyawa fenol bahan alam berasal dari poliasetil. Hal ini didasarkan pada penemuannya mengenai sifat-sifat dari poliasetil. Collie menemukan bahwa senyawa-senyawa poliasetil tertentu bereaksi dengan basa menghasilkan senyawa-senyawa identik atau menyerupai senyawa-senyawa fenol yang ditemukan di alam. Pada tahun 1953, Birch meneliti lebih lanjut hasil-hasil penemuan Collie tersebut di atas, dan berdasarkan percobaan-percobaan dengan senyawa bertanda telah menyarankan suatu hipotesis biogenetic bagi poliketida.
Sebagaimana diketahui, dalam jalur poliketida, asam asetat dalam bentuk asetil-CoA merupakan prekursor starter dan malonil-CoA dikenal sbagai prekursor extender . Rantai poliasetil yang menurunkan senyawa-senyawa poliketida berasal dari penggabungan unit-unit asam asetat melalui kondensasi aldol. Untuk dapat melakukan kondensasi ini, asam asetat pertama-tama diubah menjadi bentuk yang lebih reaktif, yang ditempuh dengan dua cara. Pertama, gugus karboksil dari asam asetat diaktifkan dengan jalan mengubahnya menjadi ester tiol dari asetil-CoA, dan dalam bentuk ester tiol ini gugus karbonil mudah diserang oleh nukleofil. Kedua, gugus metil dari asetil koenzim-A diaktifkan pula melalui reaksi karboksilasi sehingga mengubahnya menjadi ester tiol dari asam malonat. Kedua unit yang reaktif ini, yakni ester tiol dari asetat dan malonat, mudah berkondensasi aldol menghasilkan rantai poliasetil dari asam poli-β-ketokarboksilat seperti pada gambar 5. Selain itu diketahui bahwa enzim utama dalam biosintesis poliketida adalah poliketida sintase atau yang lebih dikenal sebagai PKS (polyketide synthase). PKS juga memiliki beberapa tipe, yaitu tipe I, tipe II dan tipe III.
COOH
CH3COOH
CH3CO-SCoA
CO2
CH2-CO-SCoA Malonil CoA
O
CH3-C-S-CoA
O
O
COOH
O
O
O
CH2-CO-SCoA CH3-C-CH2-C-CH2-C-SCoA
CH3-C-CH2-C-SCoA Asetoasetil CoA
O
O
O
O
POLIKETIDA CH3-C-CH2-C-CH2-C-CH2-C-OH Asam poli-beta-ketokarboksilat
Gambar. 5
Asam-asam poli-β-ketokarboksilat, sebagai suatu poliasetil, mengandung gugus-gugus metilen (-CH2-) aktif yang dapat berlaku sebagai nukleofil, yang berselang-seling dengan gugus karbonil yang aktif pula yang dapat berlaku sebagai elektrofil. Oleh karena itu asam-asam poli β-
ketokarboksilat adalah sangat reaktif sehingga dapat melakukan sejumlah reaksi tertentu sebagai berikut. Pertama, kondensasi intramolekuler dapat terjadi baik dari jenis aldol maupun jenis Claisen menghasilkan kerangka polifenol seperti gambar di bawah ini : R
R
COOH
COOH (a) O O
O
O
HO
O
asam orsilenat (R-CH3)
O
R
OH
OH
O
(b)
O
O
R
OH
R
O
O
HO
OH
asil florogluksinol
Gambar. 6
Kondensasi aldol melibatkan kondensasi salah satu gugus keton pada poliketo dengan enolat atau karbanion pada jarak tertentu. Kondensasi aldol men yisakan struktur ester yang berada dalam bentuk ester koenzim A atau ester dengan gugus enzim tergantung tipe PKS yang mengkatalisis reaksi. Adanya ester ini menjadikan hasil akhir proses siklisasi masih berupa ester yang dapat dihidrolisis manjadi bentuk asamnya seperti asam orselinat. Asam orselinat induk (RCH3) lazim ditemukan pada berbagai jenis kapang dan lumut. Pada reaksi siklisasi dengan kondensasi Claisen terjadi kondensasi antara gugus karbonil ester dengan enolat atau karbanion. Karena ester mengalami reaksi maka hasil siklisasi pada akhirnya adalah bentuk yang lebih tereduksi yaitu bentuk keton seperti floroasetofenon. Secara umum reaksinya ditunjukkan pada gambar di bawah ini (Raharjo, 2013) :
O
O
O
O
O
malonil-CoA + HO
S-CoA
asetil-CoA
S-CoA
S-CoA
malonil-CoA malonil-CoA
O
O
O
O
O
O
O
S-CoA
kondensasi aldol
S-CoA
kondensasi Claisen O
O
O O +
O
O
H
S-CoA
S-CoA
O
O
O
O OH
O
S-CoA S-CoA
O OH
O
O
O
O
O
O
S-CoA
O
O
O
O
HO
OH
OH
O
COOH
OH asam orselinat
HO
OH
floroasetofenon
Gambar. 7
Pada semua struktur poliketida yang dihasilkan, gugus-gugus hidroksil atau gugus fungsi oksigen secara umum terdapat pada posisi yang berselang-seling. Pola oksigenasi ini merupakan ciri khas dari poliketida. Struktur dari senyawa-senyawa poliketida seringkali menunjukkan
adanya modifikasi terhadap rantai poliasetil. Modifikasi ini tidak lain disebabkan karena reaksireaksi sekunder seperti oksidasi, reduksi dan alkilasi yang terjadi sebelum stabilisasi terakhir dari senyawa yang dihasilkan.
C. Sumber dan Kegunaan
Seperti yang telah diketahui, bahwa poliketida bersumber dari bakteri, kapang dan lumut serta tumbuhan tingkat tinggi. Berikut beberapa penelitian yang berhubungan dengan organisme penghasil poliketida : 1. Molecular assay of Polyketide Synthase gene of Alternariol (AOH) Produce by Alternaria alternate. (Fadhil S. Zghair, et.al)
( Alternaria alternate) Gambar. 8
Alternaria alternata merupakan salah satu jamur yang menyebarkan penyakit dan bersifat saprofit. A. alternata memproduksi lebih dari 70 metabolit sekunder, Salah satu metabolit penting adalah alternariol (AOH). Efek utama alternariol (AOH) terletak pada generasi spesies oksigen reaktif (ROS) dalam sitokrom hati tikus. Tujuan dari penelitian ini mempelajari deteksi gen synthase poliketida yang bertanggung jawab untuk produksi Alternariol (AOH) dari Alternaria alternata. Alternariol merupakan senyawa fenol dengan rantai heptaketida.
2. Ectopic Expression of The Minimal Whie Polyketide Synthase Generates A Library of Aromatic Polyketides of Diverse Sizes and Shapes. (Yuemao Shen et, al )
(Streptomyces sp) Gambar. 9
Penelitian ini dalam prosesnya telah mengisolasi bakteri Streptomyces coelicolor yang bertujuan untuk mengetahui berbagai macam bentuk dan ukuran poliketida aromatis. Hasilnya didapat gabungan pigmen poliketida diantaranya beberapa heptaketida, undeketida, dodeketida .Peranan yang paling utama yang telah diketahui dari bakteri ini adalah sebagai penghasil antibiotik.
3. Lovastatin biosynthesis in Aspergillus terreus: Characterization Of Blocked Mutants, Enzyme Activities And A Multifunctional Polyketide Synthase Gene. (Lee Hendrickson, et.al)
( Aspergillus sp.) Gambar. 10
Lovastatin adalah sebuah metabolit yang mempunyai aktivitas sebagai inhibitor enzim HMG-CoA reduktase yang dihasilkan oleh jamur Aspergillus teneus, terdiri dari dua rantai poliketida. Salah satunya adalah nonaketide yang mengalami siklisasi ke sistem cincin hexahydronaphthalene dan yang lainnya adalah diketide sederhana, 2-methylbutyrate. Sistem poliketida sintase (PKS) pada jamur sangat menarik untuk memanipulasi gen yang mengarah pada pembentukan senyawa baru. Hasil menunjukkan bahwa nonaketide dan diketide disintesis oleh PKS secara terpisah dengan mekanisme biosintesis yang baru untuk lovastatin. Kegunaan berbagai macam senyawa poliketida seperti yang telah dilaporkan dalam beberapa penelitian menunjukkan fungsinya sebagai obat-obatan dalam ha l ini sebagai antibiotik, mengobati depresi dan antivirus. Selain itu sebagai inhibitor enzim HMG-CoA reduktase pada jamur yang dapat dimanfaatkan pada produk makanan berupa pembuatan kecap.
BAB III PENUTUP A. Kesimpulan
Berdasarkan uraian pada bab sebelumnya, kesimpulan yang dapat diambil adalah sebagai berikut : 1. Poliketida merupakan senyawa metabolit sekunder yang mempunyai struktur dasar poliketon dengan beberapa gugus karbonil yang diselingi rantai metilena dan dibentuk dari reaksi kondensasi senyawa karbonil. Siklisasi dan reduksi poliketida dapat menghasilkan cin cin aromatis. 2. Senyawa poliketida diantaranya turunan kromon, turunan antrakuinon, poliketida non asetat, makrolida dan statin. 3. Secara umum biosintesis jalur poliketida menggunakan asam asetat dalam bentuk asetil-CoA sebagai prekursor starter dan malonil-CoA sebagai prekursor extender dengan polyketide synthase (PKS) sebagai enzimnya. Kondensasi dalam pembentukan siklisasi menggunakan kondensasi Aldol dan Claisen. 4. Senyawa poliketida banyak ditemukan pada bakteri, jamur dan tanaman. 5. Kegunaan poliketida yang paling umum adalah sebagai obat-obatan
DAFTAR PUSTAKA
Achmad, Sjamsul Arifin. 1986. Buku Materi Pokok Kimia Organik Bahan Alam. Jakarta : Universitas Terbuka.
Hendrickson, Lee, C Ray Davis , Claudia Roach, Di Kim Nguyen, Teri Aldrich, Phyllis C McAda and Christopher D Reeves. 1999. Lovastatin Biosynthesis in Aspergillus Terreus: Characterization Of Blocked Mutants, Enzyme Activities and A Multifunctional Polyketide Synthase Gene. Elsevier Science Ltd ISSN 1074-5521Chemistry & Biology July 1999, 6:429-439.
Raharjo, Tri. 2013. Kimia Hasil Alam. Yogyakarta: Pustaka Pelajar.
Shen, Ben. 2003. Polyketide Biosynthesis Beyond The Type I, II and III Polyketide Synthase Paradigms. Current Opinion in Chemical Biology 2003, 7:285 – 295.
Shen, Yuemao, Pall Yoon, Tin-Wein Yu, Heinz G. Floss, David Hopwood and Bradley S. Moore. 1999. Ectopic Expression Of The Minimal Whie Polyketide Synthase Generates A Library Of Aromatic Polyketides Of Diverse Sizes And Shapes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA Vol. 96, pp. 3622 – 3627, March 1999. Zghair, Fadhil S., Ban T. Mohamed, and Saad M. Neda. 2014. Molecular Assay of Polyketide Synthase Gene of Alternariol (AOH) produce by Alternaria alternate. International Journal of Innovation and Applied Studies. ISSN 2028‐9324 Vol. 9 No. 3 Nov. 2014, pp. 1124‐ 1127.
