REAKSI RADIKAL BEBAS

Reaksi Radikal Bebas

Radikal bebas adalah atom / molekul yang memiliki elektron tidak berpasangan di bagian orbital yang terluar serta mampu berdiri sendiri. Pada umumnya mekanisme reaksi radikal bebas dalam tubuh terjadi dengan cepat bersama atom yang lain untuk mengisi orbital yang kosong. Simbol penulisan radikal bebas adalah berupa titik yang terdapat di penulisan atom / molekul. 

Pengertian Reactive Oxygen Species (ROS) adalah radikal bebas yang berupa oksigen dan turunannya yang sangat reaktif. Radikal bebas tersebut dapat menyebabkan kerusakan oksidatif terhadap molekul protein, DNA, lemak membran sel, dan komponen sel atau jaringan yang lain, oleh karena itu Reactive Oxygen Species (ROS) memiliki satu atau lebih atom yang tidak berpasangan. Reactive Oxygen Species (ROS) dihasilkan pada saat terjadinya metabolisme oksidatif dalam tubuh seperti proses oksidasi makanan menjadi energi. 

A.    Mekanisme Radikal Bebas dalam Tubuh dan Pembentukan ROS

ROS memiliki kecenderungan memperoleh elektron dari substansi lain yang menjadikan radikal bebas bersifat reaktif. Pembentukan ROS melalui langkah-langkah reduksi oksigen tunggal menjadi elektron yang terjadi di sitokrom oksidase mitokondria (Gambar 1). ROS yang dihasilkan adalah superoksida (O2-•), hidrogen peroksida (H2O2), dan radikal hidroksil (OH•). Pembentukan ROS dipengaruhi oleh sel yang mengalami perandangan, cedera, dan infeksi oleh bakteri maupun virus. Hal ini dapat menyebabkan stres oksidatif yang berpengaruh terhadap kerusakan sel maupun jaringan .

Gambar 1. Pembentukan elektron di sitokrom oksidase mitokondria (• = radikal bebas).

Proses mekanisme pembentukan radikal bebas dalam tubuh juga dapat terbentuk pada saat olah raga atau latihan otot maupun adanya jaringan yang mengalami iskemik-reperfusi. Terbentuknya radikal bebas utamnya dihasilkan oleh otot rangka pada saat berkontraksi. Ketika melakukan olah raga atau latihan fisik, maka kebutuhan oksigen akan mengalami peningkatan dengan cepat. Kebutuhan oksigen selama latihan fisik mampu meningkat sekitar 100–200 kali jika dibandingkan ketika sedang istirahat.

Sewaktu terjadi fosforilasi oksidatif dalam mitokondria, maka oksigen akan direduksi pada tahapan transpor elektron di organel mitokondria untuk mengkonversi adenosin trifosfat (ATP) dan air.  Pada saat proses inilah kurang lebih molekul oksigen sebanyak 2% mampu berikatan dengan elektron tunggal yang terlepas dari karier elektron pada rantai respirasi pernafasan sehingga akan membentuk radikal superoksida. Secara beruntun, radikal superoksida akan membentuk  hidrogen peroksida dan hidroksil reaktif seperti yang tertera pada gambar.

B.     Mekanisme Reaksi Radikal Bebas dan Anti Oksidan

Reactive Oxygen Species (ROS) atau jika diterjemahkan yakni senyawa oksigen reaktif pada umumnya dihasilkan dalam jumlah yang seimbang. Secara normal, fungsi ROS berperan sebagai fungsi biologis antara lain sel darah putih memproduksi H2O2 untuk menghancurkan beberapa mikroba seperti bakteri dan jamur dan regulasi pertumbuhan sel yang tidak menyerang sasaran spesifik.

Ada dua cara yang digunakan untuk menulis rumus radikal bebas, yaitu:

1)            Dengan cara rumus Lewis, yakni dengan menggambarkan semua elektron pada atom, baik yang berpasangan maupun tidak dengan lambang berupa titik.

2)            Dengan hanya menuliskan elektron yang tidak berpasangan dengan lambang titik. Lambang ini lazim dipakai pada penulisan reaksi radikal bebas.
Contoh :  Cl• , RO•, RN•

Pada dasarnya, secara alami di seluruh tubuh telah dibentuk scavenger enzyme yang berfungsi untuk membersihkan reactive oxygen spesies (ROS) atau radikal bebas. Mekanisme kerja enzim ini adalah mengoksidasi ROS.  Tubuh juga diperlengkapi dengan sistem pertahanan untuk menetralisir radikal bebas seperti enzim Superoxide Dismutase (SOD) yang berada di dalam mitokondria serta sitosol; Glutathione Peroxidase (GPX); katalase; dan Glutathione reductase.

Selain mekanisme alami dalam tubuh, anti oksidan (anti radikal bebas) juga dapat berupa mikronutrien seperti β-karoten, vitamin C dan vitamin E (α-tokoferol). Senyawa antioksidan tersebut akan mengoksidasi elektron yang tidak berpasangan dari radikal bebas. Sebagi contoh, α-tokoferol memiliki gugus OH yang mampu memberikan elektron tunggalnya (•) ke radikal bebas. Mekanisme dari α-tokoferol sebagai antioksidan adalah sebagai berikut :

Dalam kepustakaan kedokteran pengertian oksidan dan radikal bebas (free radicals) sering dibaurkan karena keduanya memiliki sifat-sifat yang mirip. Aktivitas kedua jenis senyawa ini sering menghasilkan akibat yang sama walaupun prosesnya berbeda. Sebagai contoh perhatikan dampak H₂O₂ (hidrogen peroksida) dan radikal bebas ·OH (radikal hidroksil) terhadap glutation (GSH) :

a. H₂O₂ :

GSH  +  H₂O₂   ¾®   GSSG  +  2H₂O

b.^·OH  :

GSH  +    ^·OH    ¾®    H₂O  +   GS^·  (radikal glutation)

    

GS^·  +    GS^·   ¾®    GSSG

Walaupun ada kemiripan dalam sifat-sifatnya namun dipandang dari sudut ilmu kimia, keduanya harus dibedakan. Oksidan, dalam pengertian ilmu kimia, adalah senyawa penerima elektron, (electron acceptor), yaitu senyawa-senyawa yang dapat menarik elektron. Ion ferri (Fe⁺⁺⁺), misalnya, adalah suatu oksidan :

Fe⁺⁺⁺     +   e^-      ¾®      Fe⁺⁺

Sebaliknya, dalam pengertian ilmu kimia, radikal bebas adalah atom atau molekul (kumpulan atom) yang memiliki elektron yang tak berpasangan (unpaired electron).  Sebagai contoh marilah kita perhatikan molekul air (H₂O). Ikatan atom oksigen dengan hidrogen merupakan ikatan kovalen, yaitu ikatan kimia yang timbul karena sepasang elektron dimiliki bersama (share) oleh dua atom :

    Atom  hidrogen :     ^·H

               

                                                                                                                                                                                                                                                         _{· ·                                                                                                                                                                   · ·                                                                     ¾}                    

                Atom oksigen :          ^·O^·     dan H₂O  :      H:O :H   atau  H– O –H

                                                                                                                                                                                                                                                       ^{· ·                                                                                                                                                                   · ·                                                                       ¾}

Bila terdapat sumber energi yang cukup besar, misalnya radiasi, molekul air dapat mengalami pembelahan homolitik (homolytical cleavage ) :

                                                                                                                                                       _{· ·                                                                                                     · ·}                                  

H:O:H   ¾®  H^·     +    ^·O-H

                                                                                                                                                       ^{· ·                                                                                                      · ·}                                             

                                                                   atom H     radikal hidroksil

Atom H ( ·H)  memiliki elektron yang tak berpasangan sehingga dapat pula dianggap sebagai radikal.. Molekul air dapat pula mengalami pembelahan jenis lain, yaitu pembelahan heterolitik (heterolytical cleavage )

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              _{· ·}:

H:O:H   ¾®   H⁺     +    :O -H^-

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 ^{· ·}                                                     

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              ion H                                                           ion hidroksil

Dalam hal ini, yang terbentuk bukanlah radikal tetapi ion-ion, sehingga proses tersebut dinamakan ionisasi. Untuk ionisasi molekul air tak diperlukan masukan energi yang besar, sehingga dalam keadaan “biasa” air mengalami ionisasi.

Elektron yang tak berpasangan cenderung untuk membentuk pasangan, dan ini terjadi dengan menarik  elektron  dari senyawa lain sehingga terbentuk radikal baru :

X:H       +      ^·O-H          ¾®          X^·    +      H-O-H

                                                                                       

Dari contoh diatas jelaslah bahwa radikal bebas memiliki dua sifat, yaitu :

1. Reaktivitas tinggi, karena kecenderungan menarik elektron.

2. Dapat mengubah suatu molekul menjadi suatu radikal

Radikal bebas lebih berbahaya dibanding dengan oksidan yang bukan radikal. Hal ini disebabkan oleh kedua sifat radikal bebas diatas, yaitu reaktifitas yang tinggi dan kecenderungannya membentuk radikal baru, yang pada gilirannya apabila menjumpai molekul lain akan membentuk radikal baru lagi, sehingga terjadilah rantai reaksi (chain reaction) Reaksi rantai tersebut baru berhenti apabila radikal bebas tersebut dapat diredam (quenched). Contohnya ialah reaksi radikal hidroksil dengan glutation yang telah dibahas diatas.. Reaksi akan berhenti karena dua radikal glutation (GS^·) akan bereaksi membentuk glutation teroksidasi (GSSG). Seluruh reaksi radikal bebas dapat dijabarkan menjadi 3 (tiga) tahap, yaitu :

1. tahap inisiasi

2. tahap propagasi

3. tahap terminasi

Sebagai contoh marilah kita perhatikan reaksi-reaksi yang menyangkut reaksi radikal hidroksil sebagai berikut :

1.      Tahap inisiasi

Fe⁺⁺        +   H₂O₂      ¾®     Fe⁺⁺⁺    +   OH^-   +   ·OH .

R₁-H     +   ^·OH      ®      R₁^·      +    H₂O

2.      Tahap propagasi :

                    R₂-H     +   R₁·    ®   R₂·    +    R₁-H

                     

                     R₃-H   +   R₂·   ®    R₃·   +     R₂-H

3.      Tahap terminasi  :

                     R1·  +    R1·   ®   R1-R1

                      R2·   +   R1·  ®   R2- R1

                      R2·   +   R2·  ®   R2- R2         dan seterusnya

Dalam reaksi kimia, radikal bebas sering dituliskan sebagai titik yang ditempatkan pada simbol atom atau molekul. Contoh penulisan radikal bebas berikut sebagai hasil dari pemecahan homolitik:

Cl₂ → Cl• + Cl•

 Mekanisme reaksi radikal menggunakan panah bermata tunggal untuk menjelaskan pergerakan elektron tunggal : 

Pemutusan homolitik pada pemecahan ikatan digambarkan dengan penarikan satu elektron. Hal ini digunakan untuk membedakan dengan pemutusan heterolitik yang menggunakan anak panah bermata ganda pada umumnya.

Contoh dalam hal ini adalah reaksi klorinasi metana.

·         Inisiasi

Inisiasi adalah tahap pembentukan awal radikal-radikal bebas. Hal ini menyebabkan jumlah radikal bebas meningkat pesat. Dalam klorinasi metana, tahap inisiasi adalah pemutusan secara homolitik ikatan Cl-Cl.

Cl₂ → Cl• + Cl•

·         Propagasi

Propagasi adalah reaksi yang melibatkan radikal bebas yang mana jumlah radikal bebas akan tetap sama. Setelah terbentuk, radikal bebas klor akan menjalani sederetan reaksi. Tahap propagasi yang pertama adalah radikal bebas klor yang merebut sebuah atom hidrogen dari dalam molekul metana, menghasilkan radikal bebas metil dan HCl.

Cl• + H:CH₃ + 1 kkal/mol → H:Cl + •CH₃

Radikal bebas metil juga sangat reaktif. Dalam tahap propagasi kedua, radikal bebas metil merebut sebuah atom klor dari dalam molekul Cl₂.

·         Terminasi

Terminasi adalah reaksi yang berujung pada turunnya jumlah radikal bebas. Umumnya, penurunan ini diakibatkan oleh adanya penggabungan radikal bebas yang masih tersisa.

Cl• + •CH₃ → CH₃Cl

Daya perusak radikal bebas dengan demikian jauh lebih besar dibandingkan dengan oksidan biasa. Karena reaktifitasnya yang tinggi, radikal bebas tak stabil dan berumur sangat pendek sehingga sulit dideteksi kecuali dengan metoda-metoda khusus seperti  pengukuran EPR (Electron Paramagnetic Resonance ).

Walaupun reaktifitas radikal bebas pada umumnya cukup tinggi sehingga berumur pendek, namun ada beberapa jenis radikal bebas yang relatif stabil. Salah satu contoh adalah radikal bebas vitamin E. Berkat struktur molekulnya yang memungkinkan terjadinya resonansi, radikal vitamin E tak perlu reaktif, sehingga dapat berfungsi sebagai peredam (quencer).

C.    Stabilitas radikal bebas

 

Radikal bebas mempunyai elektron yang tak berpasangan. Dengan demikian radikal bebas sangat reaktif terhadap senyawa lain atau terhadap jenisnya sendiri. Walaunpun demikian, ada sejumlah radikal bebas yang mempunyai "umur" yang panjang karena kestabilannya, yang dikategorikan sebagai berikut:

·         Radikal Stabil

Contoh utama radikal stabil adalah dioksigen molekular (O₂) dan nitrat oksida (NO). Radikal organik dapat berumur panjang karena terbentuk pada sebuah sistem π terkonjugasi. Contohnya yaitu radikal turunan α-tokoferol (vitamin E). Berikut adalah struktur radikal tokoferol:

Ada juga contoh radikal tiazil, yang mana mempunyai reaktivitas yang rendah dan stabilitas termodinamika yang tinggi dengan stabilisasi resonansi π yang terbatas.

·         Radikal Kokoh

Radikal kokoh adalah radikal yang berumur panjang karena kepenuhsesakan sterik di sekeliling pusat radikal yang mana secara fisik sukar untuk bereaksi dengan molekul lain. Sebagai contoh adalah radikal trifenilmetil Gomberg, garam Fremy (kalium nitrosodisulfonat, (KSO₃)₂NO·), nitroksida (rumus umum R₂NO·) seperti nitronil nitroksida dan azefenilenil serta radikal yang diturunkan dari PTM atau TTM. Radikal kokoh dihasilkan dalam jumlah yang besar selama pembakaran. Radikal jenis ini menyebabkan tekanan oksidatif yang berakibat pada penyakit jantung dan mungkin juga kanker.

·         Diradikal

Diradikal adalah molekul yang mengandung dua pusat radikal. Radikal yang mempunyai banyak pusat dapat membentuk molekul. Oksigen atmosferik secara alami membentuk diradikal dan dalam keadaan ground state sebagai oksigen triplet. Reaktivitas yang rendah dari oksigen atmosferik adalah karena keadaan diradikalnya. Keadaan nonradikal dioksigen kurang stabil daripada diradikal. Stabilitas relatif oksigen diradikal diakibatkan adanya spin terlarang pada transisi triplet yang dibutuhkan untuk mengambil elektron (mengoksidasi). Keadaan diradikal oksigen juga berakibat pada sifat paramagnetik, yang dapat dibuktikan dengan adanya gaya tarik menarik terhadap magnet eksternal.

Reaktivitas Radikal Bebas

 Radikal bebas merupakan senyawa yang terkenal sangat reaktif karena mempunyai elektron menyendiri atau tak berpasangan. Intermediet radikal alkil distbilkan oleh proses fisika yang hampir sama dengan karbokation. Semakin tinggi tingkat subsitusi alkil, maka stabilitas radikal alkil juga semakin tinggi. Dengan demikian, pembentukan radikal tersier (R₃C·) lebih mudah daripada radikal sekunder (R₂HC·), dan jauh lebih mudah daripada radikal primer (RH₂C·). Maka radikal yang terletak di sisi gugus fungsi seperti karbonil, nitril, dan eter akan lebih stabil daripada radikal alkil tersier.

Radikal dapat menyerang ikatan rangkap. Walaupun demikian, tidak seperti ion yang serupa, beberapa reaksi radikal tidak dilangsungkan oleh interaksi elektrostatik. Sebagai contoh, reaktivitas ion nukleofilik dengan senyawa α,β-tak jenuh (C=C–C=O) dilangsungkan oleh penarikan elektron oksigen, yang menghasilkan muatan positif parsial pada karbon karbonil. Ada dua buah reaksi yang teramati pada kasus ionik. Yang pertama karbonil diserang dalam adisi langsung pada karbonil atau gugus vinil diserang langsung dalam adisi konjugasi. Yang kedua, muatan nukleofil diambil oleh oksigen. Radikal mengadisi secara cepat ikatan rangkap, dan menghasilkan karbonil α-radikal yang relatif stabil.

Pada reaksi intramolekular, kendali yang tepat dapat dicapai untuk menghindari reaktivitas radikal yang ekstrim.

Permasalahan :
mengapa pada molekul radikal bebas ketika kehilangan elektron menyebabkan molekul tersebut menjadi tidak stabil?