Kuliah Kimia Produk Alam

Kuliah Kimia Produk
Alam
Pendahuluan
Metabolisme dan reaksi penting dalam pembentukan metabolit
Oleh: Dr.rer.nat. Yosi B Murti, Apt
Bahan:
Dewick, P, 2002, Medicinal Natural Products: a biosynthetic approach, Bab 2, hal 7-33
Seigler, D, 1998, Plant secondary metabolism, Kluwer Academic Publisher
Pertemuan Topik
1-2
Pendahuluan
3-5
Jalur Asetat
6-7
Jalur Sikimat
8-10
Jalur Mevalonat
11-13
Alkaloid
Substansi
Metabolisme: Ana, Kata dan Amfibolisme
•
Keragaman metabolit: jalur biosintesis umum
•
Reaksi-reaksi penting dalam biosintesis
•
Karbohidrat
•
Asam amino
•
Vitamin
•
Jalur biosintesis
•
Golongan senyawa dari jalur asetat
•
Contoh senyawa
•
Jalur biosintesis
•
Golongan senyawa dari jalur sikimat
•
Contoh senyawa
•
Jalur biosintesis
•
Golongan senyawa dari jalur mevalonat
•
Contoh senyawa
•
Jalur biosintesis penting
•
Jenis-jenis alkaloid
•
Contoh senyawa
•
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
Pemateri
Dr. Yosi Bayu Murti, Apt.
Dra. Koensoemardiyah, SU.,
Apt.
Dr. Yosi Bayu Murti, Apt.
Dra. Koensoemardiyah, SU.,
Apt.
Dr. Yosi Bayu Murti, Apt.
2
Metabolisme dan keragaman metabolit
Tumbuhan merupakan makhluk hidup. Untuk dapat mampu
mempertahankan kehidupannya, setiap makhluk hidup akan
melakukan metabolisme. Metabolisme merupakan suatu proses
biokimiawi yang terjadi dalam sel makhluk hidup dalam rangka
mempertahankan hidupnya. Suatu contoh yang sering dijumpai adalah
dapat tumbuhanya suatu jenis tumbuhan yang sama pada tempat
tumbuh dengan kondisi yang berbeda-beda (ada yang dapat tumbuh di
pematang sawah, ladang, hutan, tempat sampah dan dapat pula
tumbuh di tembok-tembok. Mengapa bisa demikian ? Proses
metabolisme terjadi di dalam “sel” setiap mahluk hidup. Reaksi-reaksi
metabolisme berlangsung secara enzimatik dalam kompartemenkompartemen sel yang di batasi oleh membran lapis ganda. Reaksi
metabolisme dapat dilakukan dengan berbagai jalur reaksi
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
3
Metabolisme
Dalam lingkup bahasan metabolisme, dapat
dikategorikan menjadi anabolisme, amfibolisme dan
kata-bolisme.
Anabolisme dapat diartikan sebagai suatu proses yang
bertujuan untuk mensintesis molekul-molekul kompleks
dari molekul-molekul sederhana.
Katabolisme dapat diartikan sebagai suatu proses
kebalikan dari proses anabolisme; yaitu membongkar
molekul-molekul kompleks menjadi molekul-molekul
sederhana
Amfibolisme merupakan proses-proses yang termasuk
kategori anabolisme dan katabolisme (bongkar-muat).
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
4
Primer - sekunder
metabolit primer adalah hasil metabolisme primer:
respirasi, fotosintesis, konversi energi, dan
metabolisme lain yang vital untuk kelangsungan
hidup organisme;
metabolit sekunder adalah hasil metabolisme dari
metabolit primer membentuk derivat yang tidak
diketahui gunanya bagi organisme tersebut atau tidak
berguna bagi kelangsungan hidup organisme
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
5
Metabolit sekunder?
Giberellin, auksin
hormon tumbuh
Sinamat, lignin
Bagian struktural
Asam sikimat
tumbuhan
Pembentuk asam
amino
Merupakan intermediat
antara met. Primer dan
met. sekunder
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
6
Jalur metabolisme
Pada pembentukan metabolit K dapat
ditempuh melalui jalur reaksi
A,B,C,D,E,G,K
A,B,C,D,H,J,K
A.B.C.D.E.I.K
A,B,C,D,H,J,F,G,K
Proses metabolisme terjadi dalam sel. Sel
suatu tumbuhan dapat dibayangkan
merupakan suatu kompartemen. Antar
kompartemen dibatasi dengan suatu membran
“double layer”. Seperti telah dikemukakan di
atas, bahwa metabolisme adalah suatu
proses; proses-proses reaksi tersebut dapat
berlangsung secara enzimatik. Proses
biosintesis akan berlangsung sangat
kompleks, tergantung dari macam enzim yang
tersedia [ sehingga tumbuhan sejenis yang
tumbuh di daerah yang berbeda sangat
memungkinkan untuk mempunyai jalur
pembentukan metabolit tertentu yang tidak
identik (fenomena “vikariasi” – RAS KIMIA)
(Sudarsono, 2007)
J
K
H
I
G
E
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
7
A =>B => C=> D
F
Mengapa Metabolit Sekunder di
produksi?
Hipotesis
Produk buangan
Dasar: melimpahnya MS di tumbuhan, tdk esensial bagi kehidupan
organisme, dan tidak adanya organ ekskresi di tumb.
Kontra: bbrp tumb. memiliki sistem ekskresi berupa presipitasi dan
eksudasi
Fungsi internal tumbuhan
Dasar: bbrp MS merupakan zat antara MP, sebagai cadangan energi
dan prekursor metabolisme penting, sebagai bentuk mekanisme
transpor
Kelebihan metabolisme primer
Dasar: dalam keadaan berlimpahnya substrat bagi metabolisme dapat
terjadi produksi MP yang berlebihan, sehingga pembentukan MS
menjadi pencegah kelebihan produksi.
Peningkatan Fitness
Dasar: MS meningkatkan kemampuan tumbuhan untuk bertahan hidup
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
8
Fungsi metabolit bagi tumbuhan
1.
•
2.
•
•
•
•
3.
•
4.
•
Sumber energi metabolisme dan transfer energi
Pembentukan gula merupakan cadangan energi dalam
organisme, selain itu juga berupa ATP
Bahan dasar (building blocks) sel dan pendukung struktur
Gula (selulosa, hemiselulosa)
Lipid (fosfolipid)
fenilpropan (lignin, lignifikasi di pepohonan)
Protein (membran mikrotubulus, dan mikrofilamen)
Sumber informasi genetik
DNA-RNA
Katalis reaksi metabolisme
Enzim: hidrolase, transferase, sintetase dll
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
9
Fungsi metabolit......
5.
•
•
6.
•
•
•
•
7.
•
•
Penolak predator dan patogen
Penolak struktural: lignifikasi, pembentukan lapisan lilin
(mencegah penetrasi patogen)
Penolak kimiawi: zat pahit, racun, antimikroba
Penarik atau penolak polinator
Antosian: membentuk warna yg menarik polinator tertentu
(lebah cenderung ke warna merah-violet)
Senyawa berbau: limonen dan terpenoid lainnya
Gula di bunga
Indol menolak lebah
Aksi allelopati
Merupakan fenomena pelepasan senyawa kimia oleh
tumbuhan (disebut allelomon) yang dapat melukai
tumbuhan lain sehingga tdk tumbuh didaerahnya, sebagai
mekanisme kompetisi makanan
Allelomon meliputi senyawa minyak atsiri, fenolik, alkaloid,
steroid dan kumarin.
Contoh
juglon
Dr.rer.nat.
Yosi B Murti, adalah
MSi., Apt
10
Fungsi metabolit......
8.
•
Penarik simbiont
Tidak semua tumbuhan mampu memperoleh makanan
dengan baik. Bakteri dan fungi sering memiliki
kemampuan lebih untuk mengambil makanan sehingga
ada simbiosis mutualisme antara tumbuhan dan MO.
Contohnya dengan bakteri fiksasi nitrogen jenis
Brachyrhizobium. Untuk menjamin terjadinya infeksi di
akar kedelai diproduksi glisin dan flavonoid luteolin.
Kaufmann et.al. 1999, Natural Products from Plants
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
11
Kaitan metabolit
sekunder dan primer
Schneider, 1985
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
12
Keanekaragaman metabolit sekunder
Keanekaragaman
Jalur
biosintetik
struktur
Sifat
fisika-kimia
Asam lemak
Terpenoid
Flavonoid
Volatil
Basa-Asam
Kristal-minyak
Sifat
sensorik
Asetat-malonat
Asam mevalonat
Asam sikimat
Zat pedas
Zat pemanis
Zat pahit
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
13
Outline of plant secondary metabolism
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
14
(Papaver somniverum)
Morfin sebagai penghilang
rasa sakit
Chrysanthemum
Pirethrin insektisida
(Digitalis purpurea)
Digitoxin untuk
perawatan PJK
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
15
Reaksi penting dalam mekanisme pembentukan
kimia bahan alam
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Reaksi Aldol and Claisen
Reaksi alkilasi: subtitusi Nucleofilik
Reaksi alkilasi: adisi Electrofilik
Wagner–Meerwein Rearrangements
Pembentukan basa Schiff dan reaksi Mannich
Reaksi Decarboxylation
Reaksi Oksidasi, Reduksi, dan dehidrogenasi
Reaksi Glycosilasi
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
16
Reaksi Aldol-Claisen
Pembentukan ikatan karbon ke karbon
Penambahan suatu alkil aldehida atau alkil
asetat melalui intermediat suatu keto-enol
dengan reaksi subtitusi nukleofilik
Contoh dalam pembentukan asetoasetil-KoA
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
17
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
18
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
19
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
20
Alkilasi
Alkilasi adalah proses penambahan gugus alkil
ke dalam suatu molekul
1.Alkilasi melalui reaksi subtitusi nukleofilik:
C1: metil, diperantarai oleh S-adenosil
metionin (SAM)
C5: isopren, diperantarai oleh DMAP
2.Alkilasi melalui reaksi adisi elektrofilik:
Penambahan IPP ke DMAP membentuk
GPP
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
21
Reaksi alkilasi: subtitusi nukleofilik
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
22
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
23
Reaksi alkilasi: adisi elektrofilik
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
24
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
25
Penataan ulang Wagner-Meerwein
Penataan ulang posisi gugus hidrida, metil,
atau alkil dengan pergeseran 1,2 dan 1,3
(jarang).
Reaksi ini penting dalam sintesis terpenoid
membentuk struktur yang tidak mengikuti
aturan isopren
Merupakan bagian dari proses stabilisasi
karbokation atau relaksasi cincin yang tegar
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
26
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
27
Pembentukan basa Schiff dan reaksi
Mannich
Pembentukan ikatan C-N yang umum terjadi di alam,
terjadi melalui reaksi kondensasi antara amina dgn
aldehid/keton. Dengan reaksi adisi nukleofilik yang
melepaskan air dan membentuk imina (basa Schiff)
Basa Schiff yang terbentuk selanjutnya dapat
mengalami reaksi adisi nukleofilik (reaksi Mannich)
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
28
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
29
Karboksilasi dan dekarboksilasi
Merupakan proses diikatnya atau dilepasnya gugus karboksilat
Salah satu reaksi penting dalam sintesis asam lemak, ketika
asetat membentuk malonat serta pembentukan alkaloid dari
asam amino. Sering juga disebut „Grignard like reaction“.
Reaksi ini bersifat reversibel.
Reaksi tergantung dengan koenzim piridoksal fosfat
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
30
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
31
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
32
Reduksi, Oksidasi, dan dehidrogenasi
Reaksi yang melibatkan perubahan tingkat oksidasi
suatu molekul
Penggolongan didasarkan atas enzim yang terlibat
Dehidrogenase: NAD dan NADP (bentuk teroksidasi)
serta NADH dan NADPH (bentuk tereduksi)
Monooksigenase: sitokrom P450
Dioksigenase: dioksigenase tergantung 2-oksoglutarat
Amine oksidase
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
33
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
34
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
35
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
36
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
37
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
38
glikosilasi
Proses untuk menempelkan unit gula ke gula
lain untuk membentuk polisakarida atau ke
aglikon untuk membentuk glikosida
Dalam prosesnya melalui bantuan gula uridin
difosfat (UDP)
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
39
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
40
Jalur metabolisme sekunder utama
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
41
Torsell, 1997
Building blocks
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
42
Building blocks
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
43
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
44
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
45
Dr.rer.nat. Yosi B Murti, MSi., Apt
46