BAB II TINJAUAN PUSTAKA

ADLN- PERPUSTAKAAN UNIVERSITAS AIRLANGGA

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2. 1. Tinjauan Umum 17 β-estradiol 17 β-estradiol merupakan kelompok estrogen alami yang terdapat di dalam tubuh selain estron (E1), dan estriol (E3). Estradiol (E2 atau 17β-estradiol, juga estradiol) adalah hormon seks. Estradiol sering kali disingkat dengan E2 karena memiliki dua gugus hidroksil dalam struktur molekul. Estrone memiliki satu gugus hidroksil (E1) dan estriol memiliki tiga gugus hidroksil (E3). Estradiol mempunyai efek estrogenik sekitar 10 kali lebih kuat dibandingkan dengan estrone dan sekitar 80 kali lebih kuat dibandingkan estriol, kecuali selama fase folikular awal siklus menstruasi, kadar serum agak lebih tinggi dari estrone selama tahun-tahun reproduksi laki-laki. Estron dan 17 β-estradiol disintesis oleh hormon estrogen yang terjadi di dalam sel-sel theka dan sel-sel granulose ovarium, dimana kolesterol merupakan zat pembakal dari hormon ini, dan pembentukannya melalui serangkaian reaksi enzimatik. Luteinizing Hormon (LH) diketahui berperan dalam sel theka untuk meningkatkan aktivitas enzim pembelah rantai sisi kolesterol melalui pengaktifan ATP menjadi cAMP, dan dengan melalui beberapa proses reaksi enzimatik terbentuklah androstenedion, kemudian androstenedion yang dibentuk dalam sel theka berfungsi ke dalam sel granulose, yang selanjutnya melakukan aromatisasi(Collado et al. 2003 ). 2. 2. Tatanama Estradiol Semua hormon-hormon steroid pada dasarnya memiliki struktur yang sama, hanya saja mempunyai sedikit perbedaan kimiawi yang mengakibatkan terjadinya perbedaan

aktivitas

biokimiawi.

Struktur

dasarnya

adalah

molekul 6

tesis

Uji Biodegradasi 17 .....

Tri Puji Lestari Sudarwati


siklopentanolperhidrofenantren, molekul ini terdiri dari 3 buah cicin dari 6 atom karbon dan sebuah cicin dari 5 atom karbon. Cincin dasar ini ditandai dengan huruf A, B, C, dan D, sedangkan atom karbon diberi angka (Gambar 2. 1 ).

Gambar 2. 1 . Struktur dasar molekul siklopentanolperhidrofenantren (O’Malley. 1991 )

Hormon steroid seks dibagi menjadi 3 kelompok utama berdasarkan jumlah atom karbon yang dimiliki (Gambar 2. 1). 1. Seri karbon 21, struktur dasarnya adalah nucleus pregnane, termasuk di sini kortikoid dan progestin 2. Seri karbon 19, struktur dasarnya adalah nukleus androstane termasuk di sini hormon androgen 3. Seri karbon 18, struktur dasarnya adalah nukleus estrange termasuk di sini hormon estrogen. 2.

3. Mekanisme Estrogen Menyebabkan Kebetinaan Tubuh mempunyai tiga sistem utama, yaitu sistem saraf, sistem kekebalan dan sistem endokrin, yang ketiganya saling menunjang dan saling bekerja sama. Hormon dibentuk dan dilepaskan ke dalam pembuluh darah oleh berbagai macam kelenjar termasuk diantaranya kelenjar testis, ovarium, pankreas, adrenal, tiroid, paratiroid, thymus dan kelenjar pituitari. Hormon yang dihasilkan oleh kelenjar disebut dengan sistem endokrin. Hormon sangat penting untuk bekerjanya sejumlah proses biologis tubuh, yaitu berperan sebagai pembawa pesan diantara sel atau organ. Sebagai contoh, 7

tesis




hormon estrogen, progesteron dan testosteron, berperan penting untuk pertumbuhan organ reproduksi, hormon tiroid berperan penting dalam pertumbuhan otak, dan hormon insulin dalam pengaturan jumlah gula dalam darah. Hormon berfungsi sebagai pembawa pesan untuk gen di dalam sel tubuh. Jika sistem hormon bekerja dengan baik maka pesan yang dibawanya pun akan tepat. Tapi jika ada yang mengganggu sistem hormon, maka pesan yang dibawanya dapat salah, atau bahkan pesannya tidak terbawa.

Setiap hormon untuk dapat bekerja harus

berikatan dengan penerimanya/reseptor khusus sejenis protein. Reseptor khusus masing-masing jenis hormon berbeda antara hormon yang satu dengan yang lain, seperti lubang kunci dan anak kuncinya. Setelah berikatan, maka barulah hormon dapat bekerja membawa pesan untuk gen dalam sel tubuh. Beberapa zat kimia hasil industri dapat bekerja sebagai pengganggu sistem hormon (hormone disruptors). Caranya pun dapat bermacam-macam, ada yang terlibat dalam interaksi dengan reseptor, ada yang terlibat dalam produksi atau eliminasi/pengurangan jumlah hormon dan reseptor, yang kesemuanya berpengaruh terhadap pesan hormon yang dibutuhkan untuk menghasilkan pertumbuhan yang normal. Adapun cara hormone disruptors mengganggu sistem hormon: 1. Menyerupai hormon sehingga dapat dengan tepat berikatan dengan reseptor hormon tersebut, contohnya; xenoestrogen menyerupai hormon estradiol sehingga menggangu kerja hormon estrogen yang berperan dalam fungsi reproduksi. 2. Merangsang reseptor hormon sehingga memperbanyak jumlah pesan lebih dari normal. 3. Menghambat hormon untuk berikatan dengan reseptornya, dimana hambatan tersebut dapat lebih lemah atau lebih kuat daripada hormon aslinya sehingga dapat 8

tesis




meningkatkan atau menurunkan efek terhadap gen yang ada di dalam sel, contohnya; dioksin dalam kondisi tertentu, dapat menghambat kerja estrogen dan anti-estrogen, tikus yang terkena zat cemar vinclozilin, obat pembasmi jamur, mempunyai keturunan jantan tanpa alat reproduksi penis. 4. Menghilangkan hormon dengan cara merangsang pengrusakan atau penghilangan hormon. 5. Menggangu aktivitas enzim yang berpengaruh terhadap penghilangan hormon sehinga jumlah hormon menjadi banyak dari jumlah normalnya. 6. Merusak hormon secara langsung ataupun tidak langsung terhadap strukturnya atau terhadap proses pembentukannya 2.

4. Estradiol Pada Badan Air Hormon lingkungan merupakan bahan kimia sintetik yang teridentifikasi meniru mekanisme hormon endogen (mimikri). Mekanisme mereka bisa berlawanan dengan hormon endogen, mengubah pola sintesis dan metabolisme hormon endogen, dan memodifikasi kadar reseptor hormon sehingga menimbulkan efek yang salah. Efek dari hormon lingkungan disebut Effect of Endocrine Disrupting Chemicals (EDCs) (POST 1998; Sonnenschein & Soto 1998). Hormon lingkungan yang paling banyak diteliti adalah xestrogen atau estrogen lingkungan (Shekhar et al. 1997). Estrogen lingkungan yang alami ada pada sayuran yaitu fitoestrogen. Fitoestrogen dapat berinteraksi dengan reseptor estrogen untuk menghasilkan efek estrogenik namun tidak diakumulasi dalam tubuh. Fitoestrogen dibagi menjadi dua kelompok utama yaitu isoflavonoid dan lignan. Isoflavonoid berupa daidziein, genistein, O-desmethylangolensin, glycitein, dan equol. Lignan meliputi matairesinol, secoisolariciresinol, enterolactone, dan enterdiol. Banyak bahan kimia sintetik beredar 9

tesis




di lingkungan yang merupakan estrogen lingkungan diantaranya Dichloro Diphenyl Trichloroethane (DTT), Dietilstilbestol (DES), Polychlorinated biphenyls (PCBs), Bisphenol-A (BPA), OPP, Di(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP), Polyethylene terephhalate (PET), Pil KB, dioxin, dan limbah-limbah sintetik lainnya (McLachlan &Arnold 1996; Hollander 1997; POST 1998; CDC 2005). Penggunaan DTT dan PCBs yang luas di lingkungan sebagai perekat, peralatan listrik, dan plasticizer dapat mengganggu fisiologi. Kemudian ada PET yang terdapat pada botol minuman ringan dan yogurth yang mengeluarkan phatalase. Estrogen lingkungan ini meniru estrogen endogen sehingga menimbulkan efek yang sama seperti efek estrogen endogen (Shekhar et al. 1997; Gray et al. 2000; Jayachandra et al. 2005; Farhoodi et al. 2008). Dietilstilbestol (DES) adalah estrogen sintetik pertama yang sengaja dibuat untuk kepentingan komersial di Amerika Serikat untuk menggemukkan ayam dan obat-obatan untuk manusia. Penggunaannya telah dihapuskan karena diduga penyebab kanker pada tahun 1970. Tahun 1980, Centers for Disease Control and Prevention (CDC) menguji kembali dan tidak ditemukan residu DES dan zenol pada sampel daging ayam di Puerto Rico (BCERF 2000). DES juga terkait dengan perkembangan abnormal atau disfungsi organ reproduksi dan kelahiran yang prematur. Terjadi penurunan kesuburan pada perempuan, namun hal ini belum jelas (Hollander 1997). DES mempengaruhi penurunan sperma pada 50 tahun terakhir. Namun bukti belum menunjukkan bahwa memang hanya estrogen lingkungan yang mempengaruhinya (Fisch et al. 2000). Han et al. (2001) menyelidiki tiga kelompok estrogen lingkungan yaitu bahan kimia farmasi diethylstilbestrol (DES), 17a-ethynylestradiol (17ES), tamoxifen 10

tesis




(Tam), mestranol (Mes) , dan clomiphene (Clo), bahan kimia industri Bisphenol A (BisA), 4-octylphenol (OP), 4-nonylphenol (NP), dan Flavonoid daidzein (D), genistein (G), quercetin (Q), dan luteolin (L). Struktur estrogen lingkungan ditunjukkan pada Gambar 2.2

Gambar 2.2. Struktur kimia dari bahan kima sintetik yang merupakan estrogen lingkungan (Han et al. 2001)

Hasilnya menunjukkan bahwa konsentrasi dari bahan kimia tersebut yang menentukan efek yang ditimbulkan, karena ternyata 10 nM flavonoid Q dan L, mampu menghambat proliferasi di sel MCF-7 oleh 1mM estrogen lingkungan. Konsentrasi sebanyak beberapa nano molar (nM) dari 17ES, BisA, OP, dan NP cukup untuk merangsang poliferasi sel MCF-7. Hanya 1 mM BisA yang dapat merangsang aktivitas poliferasi setara denga 10nM 17b-estradiol (Han et al. 2001). MCF-7 merupakan penanda terjadinya paparan estrogen lingkungan (Sonnenscheins & Soto 1998). 11

tesis




Pada laki-laki dewasa, estrogen lingkungan mengganggu fungsi normal dari hipotalamus, hipofisis, dan gonad. Hal itu menyebabkan penurunan tingkat konsentrasi androgen dalam darah, menurunkan maskulinitas, penurunan libido, impotensi dan penurunan

jumlah sperma, serta kanker testis (POST 1998;

Sonnenscheins & Soto 1998). Produksi sperma dipengaruhi oleh keseimbangan antara hormon testosteron dan estrogen yang dihasilkan testis. Pembentukan spermatozoa diatur oleh testosteron dan FSH. Agen pembentuk sperma seperti sel sertoli berfungsi mengubah testosteron ke estrogen (estradiol) melalui efek umpan balik negatif. Estradiol inilah yang berperan meningkatkan konsentrasi sperma. Testosteron dapat bertindak sebagai pembawa sinyal kimia yang dikonversi menjadi estrogen ketika sampai di target (McLachlan & Arnold 1996; POST 1998). Pada perempuan estrogen adalah faktor utama yang mempengaruhi perkembangan payudara dan kanker endometrium. Estrogen lingkungan berperan terhadap meningkatnya kanker payudara dan endometrium (Sonnenscheins & Soto 1998). Estradiol pada perempuan adalah estrogen utama yang disekresikan oleh ovarium selama siklus menstruasi. Peranan estradiol pada perempuan sangat banyak yaitu menjaga kinerja saluran reproduksi, produksi sel telur, meningkatkan kemampuan sel telur berpindah ke rahim, dan pertumbuhan payudara, serta pemeliharaan struktur tulang dan sistem sirkulasi. Abnormalitas pada estrogen ini menyebabkan poliferasi jaringan yang mengarah ke kanker. Estrogen merupakan hormon yang mengaktifkan pertumbuhan dari sel-sel kanker. Perempuan mengalami resiko lebih tinggi karena mensekresikan estrogen seumur hidupnya. Pubertas dini pada anak-anak diduga dipicu oleh hormon steroid pada makanan yang nantinya

12

tesis




menjadi penyebab kanker payudara (McLachlan &Arnold 1996; POST 1998; BCERF 2000; Krimsky 2001). Para peneliti masih memperdebatkan efek dari hormon ini karena masih banyak faktor-faktor lainnya seperti usia, jenis kelamin, ras/etnis, merokok, asupan alkohol, aktifitas fisik, dan kreatin urin yang tidak dianalisis dalam menilai keterkaitan antara hormon lingkungan dengan efek yang ditimbulkan pada kesehatan manusia. Tahun 1995, Medical Research Council’s institute for Environment and Health (IEH) menemukan bahwa ada efek dari bahan kimia terhadap kesehatan reproduksi manusia (EDCs) (Sonnenscheins & Soto 1998; Zota et al. 2010). 2. 5. Tinjauan Umum Biodegradasi Biodegradasi merupakan proses terjadinya perubahan yang relatif kecil dari suatu senyawa kimia seperti substitusi atau modifikasi dari kelompok konversi senyawa fungsional. Peristiwa ini sangat penting karena merupakan awal dari peristiwa konversi senyawa organik kompleks menjadi CO2, H2O dan garam organik. Peristiwa ini disebut mineralisasi. Meskipun proses biodegradasi umumnya menghasilkan senyawa organik yang sederhana seperti CO2, air, sulfat dan fosfat namun ada kemungkinan akan membentuk senyawa yang lebih kmpleks dan menjadi senyawa yang lebih berbahaya (Manahan, 2003). Atlas (1981) menyatakan bahwa degradasi senyawa aromatis hidrokarbon oleh populasi

mikroorganisme

merupakan

mekanisme utama

dalam penanganan

kontaminasi senyawa estrogen. Kecepatan menguraikan senyawa estrogen oleh miroba tergantung pada komposisi senyawa estrogen dan faktor lingkungan yang antara lain suhu, cuaca, serta kelembaban. Prinsip dasar mikroba dalam mendegradasi limbah ditunjukkan pada Gambar 2.3. (Cookson, 1995). 13

tesis




Substrat Limbah yang akan didegradasi

Induksi enzim p b

Produksi enzim

Penahanan enzim

Aktivasi enzim pada limbah berbahaya

Enzim

Hasil Degradasi Metabolit

Gambar 2.3. Prinsip dasar mikroba dalam mendegradasi limbah (Cookson, 1995)

2. 6. Faktor yang Mempengaruhi Proses Degradasi Kecepatan dan efisiensi biodegradasi senyawa organik sangat dipengaruhi oleh beberapa faktor, yang terbagi dalam 2 kelompok yaitu faktor biokimia dan faktor fisitokimia. Faktor biokomia meliputi konsentrasi dari komponen substrat, keberadaan dan konsentrasi aseptor elektron (O2), keberadaan unsur fosfor dan nitrogen serta mikroelemen penting dalam nutrisi, ketersediaan nutrisi, keberadaan unsur fosfor dan nitrogen serta pendegradasi, ketiadaan senyawa yang bersifat toksik, temperatur dan kelembaban. Faktor fisikokimia yang juga mempengaruhi degradasi antara lain volatilitas, kelarutan dalam air, kecenderungan terikat pada bahan padat dan penyebaran (Manahan, 2003) 2. 7. Mikroba Pendegradasi 17 β-estradiol Mikroba pendegradasi 17 β-estradiol menurut penelitian yang telah dilakukan bukan hanya oleh satu spesies bakteri saja namun merupakan suatu kerja sama antara bakteri dengan bakteri, maupun bakteri dan fungi. Adapun interaksi tersebut terjadi 14

tesis




pada bakteri heterotrof yang telah diidentifikasi dalam lingkungan untuk menurunkan estrogen adalah Rhodococcus erythropolis dan Mycobacterium fortuitum. Menurut Yoshimoto et al. 2004 yang menggunakan strain Rhodococcus di isolasi dalam lumpur aktif dari pengolahan air limbah, menemukan degradasi konsentrasi tinggi dari steroid alami dan estrogen sintetik (E1, E2, E3 dan EE2). Sphingobacterium sp. Indonesia di isolasi dari lumpur aktif dari pengolahan limbah dilaporkan mampu menurunkan estradiol. Mikroorganisme ini tumbuh di EE2 sebagai satu-satunya sumber karbon dan energi dan dimetabolisme hingga 87% dari substrat ditambahkan dalam waktu 10 hari pada suhu 30°C. Novosphingobium tardaugens merupakan bakteri Gram negatif yang diisolasi dari lumpur aktif di Jepang memiliki sifat menurunkan E2. Genus Novosphingobium merupakan spesies yang dapat menyerap senyawa anti biodegradasi. Rhodococcus equi dan R. zopfii mampu mendegradasi 100 mg E2 per liter dari aktivitas tertentu tingkat setelah 24 jam. Ini sesuai dengan Yoshimoto et al. 2004 yang menemukan degradasi estrogen steroid alami dan sintetis dengan konsentrasi tinggi (E1, E2, E3 dan EE2) dengan Rhodococcus terisolasi dalam lumpur aktif dari pengolahan air limbah. Dua jenis mikroorganisme, Achromobacter xylosoxidans dan picketii Ralstonia, dibudidayakan dari membran lumpur aktif mampu memanfaatkan E2 dan E1 sebagai substrat pertumbuhan dan merubah E3 tapi tidak untuk EE2. Tingkat transformasi E2 ditemukan menjadi 0.013-0,015 mg. Selain genus dari bakteri pada jenis Kapang strain Streptomyces sp. juga dilaporkan sebagai mikroorganisme yang dapat meningkatkan melalui transformasi mikroba E2 untuk E1. Penelitian identifikasi galur mikroorganisme yang dapat memecah estrogen dengan aplikasi yang tersedia untuk pengolahan air limbah telah menyebabkan banyak peneliti untuk menjelajahi tempat-tempat lain, misalnya 15

tesis




mengisolasi dari sampel kotoran sapi yakni Fusarium proliferatum yang mampu merendahkan EE2 dengan menggunakan EE2 sebagai satu-satunya sumber karbon. Telah melaporkan adanya degradasi produk senyawa EE2, yang mungkin lebih kuat yang memiliki kelompok fenolik, namun zat ini belum diidentifikasi. 2. 8. Mekanisme Degradasi 17 β-estradiol Di Alam 17 β-estradiol mempunyai cincin aromatis dimana cincin aromatis tersebut banyak digunakan sebagai donor elektron secara aerobik oleh mikroorganisme seperti bakteri dari genus Pseudomonas. Metabolisme senyawa ini oleh bakteri diawali pembentukan katekol atau protokatekuat. Senyawa tersebut selanjutnya didegradasi menjadi seyawa yang dapat masuk ke dalam siklus Krebs, yaitu asamsuksinat, asetil Ko-A, dan asam piruvat. Reaksi degradasi senyawa hidrokarbon aromatik secara lengkap dapat dilihat pada Gambar 2.4 . Dalam bentuk konjugat didegradasi oleh bakteri dengan memecah cincin D aromatisnya kemudian akan berubah menjadi estron. Dalam bentuk estron tersebut dengan katalis enzim β glucuronidase maka akan berubah menjadi tyrosin.

+ bakteri 17 β-estradiol

β-glucuronidase

Gambar 2.4. Mekanisme degradasi 17 β-estradiol di alam KERANGKA KONSEP Hormon estrogen merupakan hormon wanita karena dapat menentukan sifat-sifat kelamin sekunder wanita (Hardjopranjoto, 1998). Salah satu hormon yang tegolong hormon estrogen adalah 17 β-estradiol yang dapat dikeluarkan ke lingkungan perairan melalui urin dan fases vertebrata, misalnya sapi, ayam, kuda, wanita dan pria (Johnson and Ulahannan, 2004, Schafersman, 2000, Roy, 1999). Tingginya kadar estrogen di lingkungan salah satunya 17 β-estradiol sehingga perlu dilakukan biodegradasi dengan menggunakan mikroba 16

tesis




pendegradasi. Mikroba pendegradasi 17 β-estradiol

meliputi fungi, yeast dan bakteri.

Dimana biodegradasi tersebut dipengaruhi oleh konsentrasi substrat 17 β-estradiol yang terkandung di dalamnya, jenis mikroba pendegradasi serta waktu degradasi. Kemudian ditentukan respon pertumbuhan bakteri tersebut untuk mengetahui kemampuan degradasi dengan melihat % degradasi yang telah dilakukan oleh bakteri dan metabolit yang dihasilkan. Berikut adalah kerangka konsep penelitian ini : Estrogen Lingkungan Tinggi

17 β-estradiol Lingkungan Tinggi

Konsentrasi

Tahap 1 & 2 Fungi

Jenis Mikroba

Biodegradasi 17 β-estradiol

Waktu Tahap 3 Keterangan : : Diteliti : Tidak Diteliti

Mikroba Pendegradasi

Bakteri

Tahap 4

Metabolit yang terbentuk

Yeast

% degradasi

Gambar 2.4. Kerangka konsep penelitian

Hipotesis Penelitian Pada penelitian ini hipotesis yang timbul berdasarkan tahap penelitian adalah: Hipotesis penelitian tahap 1 Ada 3 jenis bakteri pendegradasi 17 β-estradiol yang berhasil diisolasi dari Kali Surabaya yang dapat tumbuh pada substrat yang mengandung 17 β-estradiol. Hipotesis penelitian tahap 2 Respon pertumbuhan bakteri yang dapat tumbuh pada substrat yang mengandung 17 β-estradiol dapat ditentukan Hipotesis penelitian tahap 3 Bakteri yang diisolasi dapat mendegradasi 17 β-estradiol yang dipengaruhi oleh waktu inkubasi. Hipotesis penelitian tahap 4 Bakteri hasil isolasi dari Kali Surabaya yang berkemampuan memdegradasi 17 βestradiol dapat ditentukan spesiesnya.

17

tesis



BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Recommend Documents