BIOKIMIA KATARAKDR. dr. Kusmiyati Tjahjono DK MKes

LENSA• Komposisi lensa terutama adalah air dan protein. Proteinnya berupa crystalline ( α, β dan γ).

• Meskipun lensa tidak mempunyai suplai darah, metabolismenya tetap aktif. Hal ini terlihat dari tetap konstannya aqueous humor diproduksi dan dibuang.

• Aqueous humor merupakan pemasok makanan yang diperlukan.

• Siklus Krebs dan proses aerobik lainnya terjadi di daerah perifer lensa dimana terdapat sel aktif dan organela.

• The eye showing the lens between the aqueous humour and vitreous body.

The lens showing the single layer of epithelial cells with the rest of the lens filled with fibre cells. Original drawing by John Cronin. Diambil dari Harding JJ. Viewing Molecular Mechanisms Of Ageing Through A Lens. Ageing Research Reviews. Volume 1: 3, 2002, 465–479

• Komposisi aqueous humor adalah : karbohidrat, protein, asam

amino, urea, glutathione, O2, CO2, ion organik, anorganik dan air.

• Aqueous humor sedikit hipertonik dibandingkan plasma pada sejumlah mamalia kecuali monyet rhesus.

KATARAK SENILIS

Perubahan berkaitan dengan usia yang mengarah ke katarak

(a)Perubahan fisik seiring dengan bertambahnya usia

(b)Perubahan protein lensa dengan bertambahnya usia

(a). Perubahan fisik seiring dengan bertambahnya usia•Perubahan biokimia dan biofisik terus- menerus , mulai sebelum lahir, menyebabkan peningkatan hamburan cahaya, warna dan kekakuan lensa. •Ini mempengaruhi inti lensa dan dapat dilihat sebagai pelopor katarak nuclear dan juga berkontribusi terhadap mekanisme katarak kortikal.

• i) Peningkatan cahaya-pendar/ hamburan cahaya

(i) Peningkatan cahaya-pendar/ hamburan cahaya• Seiring bertambahnya usia, tanpa adanya katarak, ada peningkatan yang stabil dalam keseluruhan hamburan cahaya oleh lensa dimulai setelah usia 40 tahun.

(ii) Penurunan elastisitas

• Peningkatan kekuatan bias dari lensa yang terjadi dengan akomodasi yang dibawa oleh perubahan dalam ketebalan dan kelengkungan lensa, disebabkan oleh kontraksi otot ciliary.

• peningkatan kekakuan lensa seiring dengan usia, mempengaruhi inti lebih dari korteks dan merupakan faktor utama yang menentukan onset dan perkembangan presbiopia.

• Sampai dengan usia sekitar 40 tahun, inti lensa sangat mampu berdeformasi dan lebih elastis dibandingkan dengan korteks sekitarnya, setelah usia ini situasinya terbalik.

(b) Perubahan dalam protein lensa dengan usia

(i) perubahan pasca-translasi untuk crystallins lensa

• crystallins adalah protein intrinsik stabil, mengalami modifikasi besar non-enzimatik untuk struktur dan fungsi mereka dari kehidupan awal.

• Perubahan meliputi thiolasi, deamidasi, glikasi, carbamylasi, CYS-metilasi, fosforilasi dan asetilasi serta proteolisis, yang mengarah ke pemotongan dan pelepasan fragmen crystallin .

• Deamidasi berkembang seiring dengan usia dan terutama dengan katarak, perubahan struktur tersier dan mendorong terungkapnya dan tdk dpt memecahkan α-β-dan γ crystallins. Crystallins Deamidated ditemukan lebih dalam WIS (water in solluble) daripada di fraksi protein WS (water solluble) lensa.

• Modifikasi pasca-translasi crystallins oleh turunan gula terjadi pada penuaan lensa dan katarak dan berkorelasi baik dengan hilangnya transparansi.

• Glikasi melibatkan reaksi non-enzimatik, modifikasi kovalen dari kelompok aldehida gula dengan gugus amino bebas dari protein.

• glycators utama adalah glukosa, fruktosa dan pentosa dipilih dan glioksal, dan askorbat produk degradasi seperti threose . Bentuk Senyawa basa Schiff ini , diikuti dengan penataan ulang Amadori untuk membentuk senyawa yang lebih stabil seperti fructoselysine . Kemudian, non-fluorescent karboksi-lisin dan fluorescent coklat produk Maillard, termasuk pentosidine, dibentuk dan dimasukkan di bawah judul umum produk akhir glikasi lanjut (AGEs) .

• Modifikasi ekstensif αA-dan αB-crystallin dengan glycasi menyebabkan agregasi dan penurunan fungsi pendamping /chaperone.

Scheme of changes seen in Philly cataract in mouse (Harding, 1993). GSH: glutathione. Dari : Harding JJ. Viewing Molecular Mechanisms Of Ageing Through A Lens. Ageing Research Reviews. Volume 1: 3, 2002, 465–479

•Protein terdenaturasi rentan terhadap oksidasi, difasilitasi oleh penurunan kapasitas antioksidan dari lensa seiring dengan usia seperti yang ditunjukkan oleh penurunan GSH dan enzim turunan GSH dan menyebabkan akumulasi disulphida campuran, disulfida silang/ crosslink- crystallins dan residu metionin teroksidasi .

• Sementara β-/γ-crystallins kaya tiol yang paling rentan terhadap oksidasi, oksidasi αA-dan αB-crystallins juga terjadi, yang menyebabkan perubahan struktural dan hilangnya aktivitas pendamping. •C-terminal pemotongan αA-atau αB-crystallin mempengaruhi baik oligomerisasi dan pertukaran subunit dan menyebabkan hilangnya aktivitas pendamping, mungkin dengan menghapus bagian dari urutan yang mempertahankan kompleks pendamping-substrat dalam bentuk yang larut.

• Ada peningkatan jumlah fragmen crystallin dalam serat lensa seiring dengan usia, dengan jumlah yang lebih besar dalam inti daripada di korteks dan di fraksi protein WIS daripada di WS .

• fragmen crystallin yang dihasilkan dari crystallins teroksidasi dalam lensa tua dapat mengganggu aktivitas α-pendamping dan meningkatkan agregasi protein terdenaturasi, mungkin mencerminkan adanya fragmen dengan sifat antichaperone.

• Ada jalur ubiquitin-proteosome penting dalam lensa, terlibat dalam degradasi dan penghapusan protein teroksidasi. Aktivitas konjugasi ubiquitin sangat berkurang pada penuaan lensa, yang mengarah ke akumulasi crystallins teroksidasi, terutama inti yang memberikan kontribusi untuk agregasi dan hamburan cahaya.

(ii) perubahan konformasi

• Serangan oksidatif terhadap crystallins akan mengganggu urutan jarak dari crystallins, di satu sisi mengarah ke peningkatan cahaya-pendar dan hilangnya transparansi lensa dan di sisi lain untuk pengerasan progresif, khususnya dari inti lensa.

• Dalam inti, perubahan ini secara bertahap mengambil fitur katarak nuklir, yang mengarah baik ke opacity nuklir putih abu-abu, atau lebih sering dengan akumulasi kromofor fluorescent, ke kuning, opacity nuklir brunescent coklat atau gelap.

• Peningkatan penyerapan spektrum dengan kromofor tersebut, terutama pada ujung spektrum biru, mengubah warna nyata dari dunia visual.

(iii) Hilangnya fungsi pendamping/ chaperone

• Penurunan aktivitas pendamping α-crystallin seiring dengan usia, mencapai maksimum pada dekade kelima, menyumbang peningkatan agregasi, protein, hamburan cahaya dan hilangnya transparansi lensa.

• Ini adalah fitur dari penuaan lensa manusia dan merupakan prekursor dari katarak.

• Perubahan ini diperkuat oleh berkurangnya ketersediaan pemulung radikal bebas yang mampu melindungi protein rentan terhadap oksidasi

(iv) Kehilangan antioksidan dan kapasitas pemulungan radikal bebas

• Hilangnya fungsi pendamping progresif seiring dengan usia pertengahan disertai dengan penurunan yang sesuai dalam kapasitas pemulungan radikal bebas lensa, sehingga protein semakin berisiko terkena oksidasi.

• Tingkat berkurangnya GSH menurun hampir linear dengan usia dan konsentrasi GSH teroksidasi (GSSG) menunjukkan peningkatan yang sesuai. Ada juga penurunan progresif sistein dalam inti tapi tidak di korteks. Tingkat GSH rendah ditemukan dalam inti lensa katarak nuclear.

Scheme of changes seen in human cataract (Harding, 1991). G6P: glucose 6-phosphate; MDA: malondialdehyde. Diambil dari Harding JJ. Viewing Molecular Mechanisms Of Ageing Through A Lens. Ageing Research Reviews. Volume 1: 3, 2002, 465–479

• Cataracts results from changes in solubility and aggregation of the crystallin proteins.

• The most frequent kinds of cataracts are those that appear as result of aging (senile cataracts) or as a result of Diabetes Mellitus (diabetic cataracts).

• Other conditions can also result in cataracts: cataracts that appear in galactosemia are very similar in the way of production to the cataracts that appear in Diabetes.

• Aldose reductase is an enzyme that usually reduce aldehyde group of aldoses to a primary alcohol, so the aldose becomes a polyalcohol. The enzyme uses NADPH as hydrogen donor.

REAKSI BIOKIMIAWIThe sequence of reactions is:• 1. – Reaction of Aldehyde reductase:

Consist in the reduction of the aldehyde group of glucose to a primary alcohol group, with the conversion of the aldohexose glucose to a polyalcohol.

Glucose + NADPH.H+ –> Sorbitol + NADP+

• 2. – Reaction of Sorbitol dehydrogenase (SORD): Consist in the oxidation of the

secondary alcohol group of Carbon 2 of Sorbitol to a ketone group. It results in the conversion of Sorbitol in Fructose, a ketohexose. Sorbitol + NAD+ -> Fructose + NADH.H+

• This sequence of reactions is particularly important in the formation of fructose in the seminal vesicles and the liver, and it has the advantage over the use of the sequence in glycolysis for obtaining fructose – Glucose 6 (P) to Fructose 6 (P) – that this polyalcohol pathway does not require the expending of ATP.

• Lens contains aldehyde reductase and also a very low activity of sorbitol dehydrogenase, so some of the glucose that enter in the lens is converted in fructose. This quantity is usually very low since the enzyme aldehyde reductase has a very high Km for glucose.

• As a result, Sorbitol accumulates and increases the osmotic effects producing cell swelling and structural damage (this effect would explain also the neuropathy and vascular problems present in Diabetic patients).

• In conditions of hyperglycemia, since the concentration of aldehyde reductase substrate (glucose) is high, this enzyme becomes very active, and a high quantity of sorbitol is formed. Unfortunately for diabetic patients, the activity of sorbitol dehydrogenase in lens is very low (enough for normal conditions, but not for this abnormal situation) and for complicating more the problem, sorbitol formed in the lens diffuse with difficulty out of it.

• In the lens, these changes in osmolarity will affect the native conformation of the crystalline proteins, in such a way that they aggregate and form structures that scatter the light: Cataracts are being formed.

KATARAK PADA DM• akumulasi dari sorbitol pada jaringan intraselular menghasilkan perubahan osmotik pada jaringan lensa yang bersifat hidropik yang akhirnya berdegenerasi dan membentuk gula katarak. Di lensa, sorbitol diproduksi lebih cepat dibanding perubahannya menjadi fruktosa oleh enzim sorbitol dehidrogenase. Peningkatan akumulasi dari sorbitol membuat keadaan hiperosmotik sehingga cairan masuk karena adanya perbedaan gradien osmotik.

• Perubahan tekanan osmotik yang disebabkan oleh akumulasi dari sorbitol membuat perubahan pada endoplasmik retikulum terbentuknya radikal bebas, menyebabkan fluktuasi dari kadar glukosa yang menghasilkan reaktif oksigen spesies dan menyebabkan stress oksidatif yang merusak serat lensa.

• Perubahan osmotik yang terjadi di lensa, menganggu permeabilitas membran dari lensa, yang berakibatkan kadar ion K , asam amino, dan myoinositol lebih tinggi didalam lensa dibandingkan jaringan sekitarnya , sehingga terjadi perembesan dari lensa keluar. Ion Na dan Cl dibentuk didalam lensa karena hilangnya K, sehingga terjadi gangguan elektrolit didalam lensa yang menyebabkan kekeruhan pada lensa. Ini merupakan mekanisme awal yang terjadi akibat dari kerja aldose reduktase yang membuat kekeruhan pada lensa.

JALUR POLYOL

Scheme of changes seen in diabetic cataract in rats (Harding, 1991). F3P: fructose 3-phosphate; G6P: glucose 6-phosphate; S3P: sorbitol 3-phosphate; aa: amino acid; 3DG: 3-deoxyglucosone; γ: γ-crystallin; PD: polyol dehydrogenase; ppp: pentose phosphate pathway. Diambil dari Harding JJ. Viewing Molecular Mechanisms Of Ageing Through A Lens. Ageing Research Reviews. Volume 1: 3, 2002, 465–479

KATARAK PADA GALAKTOSEMIA

• In patients with galactosemia, a congenital disease in which the patient can not metabolize galactose and this sugar accumulates, the physiopathology of cataracts formation and nerve damage apparently is similar to the mechanism described for diabetes:

• Through the reaction of Aldehyde reductase occurs the reduction of the aldehyde group of galactose to a primary alcohol group, with the conversion of the aldohexose galactose to its corresponding polyalcohol, galactitol:

• Galactose + NADPH.H+ –> Galactitol + NADP+

• Galactitol accumulates increasing the osmotic pressure with similar results to those found in sorbitol accumulation in Diabetes Mellitus.

Hipotesis terjadinya katarak