Primary and Secondary Metabolism Characteristics

KARAKTERISTIK SENYAWA ORGANIK BAHAN ALAM

Metabolisme adalah reaksi kimia yang berlangsung di dalam organisme hidup, dan merupakan reaksi yang sangat terkoordinasi, mempunyai tujuan, serta mencakup berbagai kerjasama dari banyak sistem multi enzim. Secara singkat, metabolisme adalah proses pembentukan metabolit. Metabolit adalah senyawa-senyawa organic yang dihasilkan dan terlibat dalam metabolisme. Metabolisme memiliki empat fungsi spesifik yaitu :

1)   Untuk memperoleh energi kimia dari degradasi makanan yang kaya energi dari lingkungan atau dari energi solar.

2)   Untuk mengubah molekul nutrisi menjadi prekursor unit pembangunbagi makrmolekul sel.

3)   Untuk menggabungkan unit-unit pembngunan ini menjadi protein, asam nukleat, lipid, polisakarida, dan komponen selainnya.

4)   Untuk membentuk dan mendegradasi biomolekul yang di perlukan dalam fungsi khusus sel.

Metabolisme terdiri dari dua proses yag berlawanan, keduanya berangsung serempak. Aspek metabolisme yang pertama adalah anabolisme, yaitu proses sintesis makromolekul kompleks misalnya asam nukleat, lipid, dan polisakarida serta penggunaan energi. Aspek metabolisme yag kedua adalah suatu proses yang berlawanan disebut katabolisme. Proses katabolisme merupakan proses penguaraian bahan organik kompleks menjadi bahan organik yang lebih sederhana atau bahan anorganik dan menghasilkn energi, misalnya adenosin trifosfat (ATP) atau guanosine trifosfat (GTP). Metabolit adalah hasil dari metabolisme. Metabolit dibedakan menjadi dua macam, yaitu metabolit primer dan metabolit sekunder.

Hasil metabolism dalam organism hidup dapat dibagi menjadi dua kelompok besar: metabolit primer dan sekunder. Yang tergolong dalam metabolit primer adalah senyawa-senyawa yang diproduksi dan terlibat pada jalur metabolisme primer (contohnya glikolisis, siklus asam sitrat/siklus Krebs, dan fotosintesis). Contoh metabolit primer adalah protein, karbohidrat, lipid, asam amino, nukleotida, danasetil CoA (Siegler 1998). Karbohidrat biasa disebut hidrat arang. Terdiri dari dua reaksi pembentukan dan pemecahan karbohidrat. Tersusun atas monomer molekul-molekul gula sederhana. Reaksi pemecahan terjadi di membrane sel yang melibatkan proses respirasi dan fermentasi. Reaksi pembentukan terjadi di dalam kloroplas yang melibatkan penggunaan karbondioksida untuk menghasilkan monomer gula sederhana (misal: sukrosa). Protein merupakan salah satu metabolit primer yang menyusun tubuh organisme. Menurut dogma biologi molekuler, DNA akan ditranskripsi menjadi RNA, RNA ditranslasi menjadi triplet kodon yang membentuk asam amino, polimer asam amino merupakan protein. Lipida merupakan salah satu metabolit promer hasil dari jalur oksidasi pentose fosfat. Reaksi pembentukan lipida terjadi di dalam sitosol tanaman. Lipida tersusun atas asam lemak dan gliserol pada umumnya. Asam nukleat merupakan metabolit primer yang menjadi dasar pembentuk materi genetic baik DNA/RNA dan juga turunannya dapat membentuk protein. Asam nukleat berperan dalam membentuk purin dan pirimidin.

Metabolit sekunder tanaman merupakan senyawa dengan berat molekul rendah yang diproduksi tanaman sebagai respon terhadap ancaman lingkungan dan patogen. Hasil studi menunjukkan bahwa produk metabolit sekunder merupakan senyawa yang diturunkan dari metabolit primer, yaitu karbohidrat, protein, lipid, dan asam nukleat. Secara sederhana, metabolit sekunder tanaman terbagi atas tiga golongan besar, yaitu fenolik, senyawa bernitrogen, dan terpenoid (Edwards & Gatehouse 1999).

Metabolit sekunder tidak digunakan untuk proses pertumbuhan dan unik untuk setiap organisme. Pada umumnya senyawa metabolit sekunder berfungsi sebagai mekanisme pertahanan diri, misalnya sebagai pelindung (protectant) dari gangguan hama untuk tumbuhan itu sendiri atau lingkungannya. Selain sebagai pelindung, dapat juga berfungsi sebagai penarik (attractan) atau penolak (repellant) dari serangga atau herbivora. Contoh metabolit sekunder lainnya pada tumbuhan adalah pigmen-pigmen, senyawa antibiotik, senyawa bioaktif, dan senyawaaromatik (Siegler 1998).

Produksi senyawa metabolit primer maupun sekunder saat ini sangat penting, misalnya dalam bidang industri, kesehatan, atau pangan. Sebagai contoh, saat ini senyawa metabolit sekunder telah banyak digunakan sebagai zat warna, racun, aroma makanan, obat-obatan, dan sebagainya. Dengan mempelajari jalur biosintesis ini memungkinkan untuk melakukan modifikasi dari jalur tersebut sehingga dapat diproduksi metabolit dalam jumlah yang lebih banyak dalam waktu yang lebih singkat, mengetahui struktur metabolit yang dihasilkan, dan dapat dilakukan sintesis untuk menghasilkan derivatnya  (Lisdawati et al. 2007).

A.   Metabolit Primer

Metabolit primer adalah suatu metabolit atau molekul yang merupakan produk akhir atau produk anatara dalam proses metabolisme makhluk hidup, yang funsinya sangat esensial bagi kelangsungan hidup organisme tersebut, serta terbentuk secara intraseluler. Contohnya adalah protein, lemak, karbohidrat, dan DNA. Pada umumnya metabolit primer tidak diproduksi berlebihan. Pada sebagian besar mikroorganisme, produksi metaboit yag berlebihan dapat menghambat pertumbuhan, dan kadang-kadang dapat mematikan mikroorganisme tersebut. Proses metabolisme tersebut untuk membentuk metabolit primer disebut metabolisme primer.

Mikroorganisme menghasilkan metabolit primer, misalnya etanol; dan metabolit sekunder, misalnya antibiotik. Metabolit primer diproduksi pada waktu yang sama dengan pembentukan sel baru, dan kurva produksinya mengikuti kurva pertumbuhan populasi secara paralel. Metabolit sekunder mikroorganisme tidak diproduksi hingga sel mikroorganisme menyelesaikan secara lengkap fase pertumbuhan logaritmiknya, dikenal sebagai fase tropofase dan memasuki fase stasioner. Periode selanjutnya, ketika sebagian besar metabolit sekunder dihasilkan, disebut sebagai idiofase. Metabolit sekunder mikroorganisme dapat merupakan konversi dari metabolit primer mikroorganisme.

Ciri-ciri metabolit primer yaitu :

·         Terbentuk melalui metabolisme primer

·         Memiliki fungsi yang esensial dan jelas bagi kelangsungan hidup organisme penghasilnya (merupakan komponen esensial tubuh misalnya asam amino, vitamin, ukleotida, asam nukleat dan lemak).

·         Sering berhubungan dengan pertumbuhan orgnisme penghasilnya.

·         Bersifat tidak spesifik (ada pada hampir semua makhluk hidup).

·         Dibuat dan dismpan secara intraseluler.

·         Dibuat dalam kuantitas yang cukup banyak

·         Hasil akhir dari metabolisme energi adalah etanol.

B.   Metabolit Sekunder

Metabolit sekunder diproduksi oleh mikroorganisme setelah fase pertumbuhan aktif telah berhenti. Zat tersebut biasanya tidak diperlukan untuk metabolisme atau pemeliharaan sel tujuan penting. Meskipun tidak dibutuhkan untuk pertumbuhan, namun metabolit sekunder dapat pula berfungsi sebagai nutrisi darurat untuk bertahan hidup.

Fungsi metabolit sekunder bagi mikroorganisme penghasil itu sendiri sebagian besar belum jelas. Metabolit sekunder dibuat dan disimpan secara ekstraseluler. Metabolit sekunder tidak diproduksi pada saat pertumbuhan sel secara cepat (fase logaritmik) tetapi biasanya disintesis pada akhir siklus pertumbuhan sel, yaitu pada fase stasioner saat populasi sel tetap karena jumlah sel yang tumbuh sama dengan jumlah sel yang mati. Pada fase ini sel mikroorganisme lebih tahan terhadap keadaan ekstrim, misalnya suhu yang lebih panas atau dingin, radiasi, bahan-bahan kimia, dan metabolit yang dihasilkannya sendiri (antibiotik).

Ciri-ciri metabolit sekunder adalah :

·         Dibuat mealui proses metabolisme sekunder

·         Diproduksi selama fase stasioner

·      Fungsi bagi organisme penghasil belum jelas, diduga tidak behubungan dengan sintesis komponen sel atau pertumbuhan

·         Dibuat dan disimpan secara ekstraseluler

·         Hanya dibuat oleh spesies tertentu dan dalam jumlah terbatas

·         Umumnya diproduksi oleh fungi filamemntus dan bakteri pembentuk spora

·         Merupakan kekhasan bagi spesies tertentu

·         Biasanya  berhubungan dengan aktivitas anti ikroba enzim spesifik, penghambatan, pendorong pertumbuhan, dan sifat-sifat farmakologis.

Kelompok utama metabolit sekunder ada tiga, yaitu: terpen, senyawa fenol dan produk sekunder mengandung nitrogen.

C.   Sejarah Penemuan Beberapa Senyawa Organik Bahan Alam

Peranan senyawa bahan alam bagi manusia tidak terlepas dari tinjauan sejarah kajian riset kimia bahan alam itu sendiri, yang telah sejak lama dilakukan oleh manusia. Karl Wilhelm Schele (1742-1786) merupakan ahli kimia pertama yang berhasil melakukan pemisahan (isolasi) senyawa kimia dari bahan alam seperti gliserol, asam-asam oksalat, laktat, tartarat dan sitrat. Selanjutnya diikuti Frederich W. Serturner (1783-1841) yang memisahkan morfina dari opium dan Pelletier serta caventon yang berhasil memisahkan strihina, brusina, kuinin, sinkonina, dan kafein lima belas tahun kemudian. Untuk pemisahan beribu-ribu senyawa kimia yang lain dari bahan alam segera menyusul dan terus berjalan sampai sekarang.

Senyawa-senyawa metabolit sekunder yang telah berhasil diisolasi, oleh manusia selanjutnya didayagunakan sebagai bahan obat seperti morfin sebagai obat nyeri, kuinin sebagai obat malaria, reserpin sebagai obat penyakit tekanan darah tinggi dan vinkristin serta vinblastin sebagai obat kanker. Selain sebagai bahan obat, senyawa metabolit sekunder juga didayagunakan oleh manusia untuk menunjang kepentingan industri seperti industri kosmetik dan industri pembuatan pestisida dan insektisida. Untuk di Indonesia, pemanfaatan senyawa bahan alam yang ditemukan para peneliti Indonesia sebagai bahan baku obat antara lain Itebein sebagai anti tumor, Artoindonesianin sebagai anti malaria, Diptoindonesin, Indonesiol serta banyak lagi.  Komponen senyawa kimia utama dari kedua kelompok tersebut sebagian dapat dilihat pada tabel berikut :

No	Tumbuhan/pohon	Bagian tanaman	Minyak atsiri	Komponen Utama
1.	Pohon Cengkeh	Bunga/daun	Minyak Cengkeh	Eugenol
2.	Tanaman Sereh	Daun	Minyak Sereh	Sitronelal, sitronelol, geraniol
3.	Pohon Pinus	Kulit/batang/getah	Minyak Terpentin	Terpentin α-pinen
4.	Tanaman nilam	Daun	Minyak Nilam	Patchouli alkohol
5.	Pohon Kenanga	Bunga	Minyak Kenanga	Ester
6.	Tanaman Adas	Biji	Minyak Adas	Anetol, estragol, fenson

Alkaloid : Senyawa Organik Terbanyak di Alam

Dalam dunia medis dan kimia organik, istilah alkaloid telah lama menjadi bagian penting dan tak terpisahkan dalam penelitian yang telah dilakukan selama ini, baik untuk mencari senyawa alkaloid baru ataupun untuk penelusuran bioaktifitas. Senyawa alkaloid merupakan senyawa organik terbanyak ditemukan di alam. Hampir seluruh alkaloid berasal dari tumbuhan dan tersebar luas dalam berbagai jenis tumbuhan. Secara organoleptik, daun-daunan yang berasa sepat dan pahit, biasanya teridentifikasi mengandung alkaloid. Selain daun-daunan, senyawa alkaloid dapat ditemukan pada akar, biji, ranting, dan kulit kayu.Berdasarkan literatur, diketahui bahwa hampir semua alkaloid di alam mempunyai keaktifan biologis dan memberikan efek fisiologis tertentu pada mahluk hidup. Sehingga tidaklah mengherankan jika manusia dari dulu sampai sekarang selalu mencari obat-obatan dari berbagai ekstrak tumbuhan. Fungsi alkaloid sendiri dalam tumbuhan sejauh ini belum diketahui secara pasti, beberapa ahli pernah mengungkapkan bahwa alkaloid diperkirakan sebagai pelindung tumbuhan dari serangan hama dan penyakit, pengatur tumbuh, atau sebagai basa mineral untuk mempertahankan keseimbangan ion.

Alkaloid secara umum mengandung paling sedikit satu buah atom nitrogen yang bersifat basa dan merupakan bagian dari cincin heterosiklik. Kebanyakan alkaloid berbentuk padatan kristal dengan titik lebur tertentu atau mempunyai kisaran dekomposisi. Alkaloid dapat juga berbentuk amorf atau cairan. Dewasa ini telah ribuan senyawa alkaloid yang ditemukan dan dengan berbagai variasi struktur yang unik, mulai dari yang paling sederhana sampai yang paling sulit.

Dari segi biogenetik, alkaloid diketahui berasal dari sejumlah kecil asam amino yaitu ornitin dan lisin yang menurunkan alkaloid alisiklik, fenilalanin dan tirosin yang menurunkan alkaloid jenis isokuinolin, dan triftopan yang menurunkan alkaloid indol. Reaksi utama yang mendasari biosintesis senyawa alkaloid adalah reaksi mannich antara suatu aldehida dan suatu amina primer dan sekunder, dan suatu senyawa enol atau fenol. Biosintesis alkaloid juga melibatkan reaksi rangkap oksidatif fenol dan metilasi.

Jalur poliketida dan jalur mevalonat juga ditemukan dalam biosintesis alkaloid. Berikut adalah beberapa contoh senyawa alkaloid yang telah umum dikenal dalam bidang farmakologi :

Senyawa Alkaloid (Nama Trivial)	Aktivitas Biologi
Nikotin	Stimulan pada syaraf otonom
Morfin	Analgesik
Kodein	Analgesik, obat batuk
Atropin	Obat tetes mata
Skopolamin	Sedatif menjelang operasi
Kokain	Analgesik
Piperin	Antifeedant (bioinsektisida)
Quinin	Obat malaria
Vinkristin	Obat kanker
Ergotamin	Analgesik pada migrain
Reserpin	Pengobatan simptomatis disfungsi ereksi
Mitraginin	Analgesik dan antitusif
Vinblastin	Anti neoplastik, obat kanker
Saponin	Antibakteri

Tantangan dalam penelitian di bidang alkaloid, semakin lama semakin menarik dan dengan tingkat kesukaran yang rumit. Hal ini didasarkan pada fenomena bahwa jumlah alkaloid dalam tumbuhan berada dalam kadar yang sangat sedikit (kurang dari 1%) tetapi kadar alkaloid diatas 1% juga seringkali dijumpai seperti pada kulit kina yang mengandung 10-15% alkaloid dan pada Senecio riddelii dengan kadar alkaloid hingga 18%. Selain kadar yang kecil, alkaloid juga harus diisolasi dari campuran senyawa yang rumit. Proses isolasi, pemurnian, karakterisasi, dan penentuan struktur ini membutuhkan pengetahuan dan keterampilan khusus yang tentunya memerlukan waktu yang lama untuk mendalaminya. Tantangan berikutnya dalam penelitian setelah ditemukan senyawa alkaloid murni dan diketahui strukturnya, adalah dengan melakukan uji aktivitas biologi terutama untuk aplikasi farmakologi dan bioinsektisida. Setelah diketahui aktivitas biologinya, kemudian dilanjutkan dengan mempelajari studi molekular (uji klinis) lebih lanjut senyawa tersebut bagi organisme (terutama manusia). Seandainya alkaloid yang diteliti, memiliki kelayakan sebagai obat, maka tantangan lain bagi para peneliti adalah mensintesis senyawa tersebut, terutama untuk mencari jalur sintesis yang sederhana dan murah, sehingga dengan sintesis dapat menyediakan pasokan alternatif obat semacam itu yang sering sukar diperoleh dari sumber alam.

PERMASALAHAN :

1.   Bagaimana proses “antibiotik” yang terjadi pada metabolisme sekunder?

2.   Mengapa pada metabolisme primer hasil akhir dari metabolisme energi adalah etanol? Bagaimana proses yang terjadi sehingga dapat membentuk etanol?

3.   Bagaimana melakukan pemisahan (isolasi) senyawa kimia dari bahan alam?