NH2

COOH

NH2

COOH

COOH

NH2

Keratin tipe I

Keratin tipe II

Domain non heliks

Sekuens non heliks

Domain non heliks

heliks

Aspek Biokimia Kulit dan Jaringan PenunjangKarina Maharani P. (0906487865)

Struktur kulit terdiri dari tiga lapisan yaitu : kulit ari (epidermis), sebagai lapisan yang paling luar, kulit jangat (dermis, korium atau kutis) dan jaringan penyambung di bawah kulit (tela subkutanea, hipodermis atau subkutis).1 Pada LTM ini saya akan menjelaskan aspek biokimia dari tiap – tiap lapisan tersebut.

A. EPIDERMIS1,2

Pada epidermis, keratin adalah senyawa kimia yang sangat penting dimana 4 lapisannya berperan dalam pembentukannya. Empat lapisan tersebut yaitu lapisan korneum, lapisan granulosa, lapisan spinosum, dan lapisan basalis. Keratin merupakan filamen intermediet yang tersusun atas polipeptida alfaheliks yang panjang dan diselingi segmen pendek non heliks. Ada dua tipe keratin yaitu tipe I (acidic) dan tipe II (basic). Tiap – tiap tipe memiliki 15 varian yang berbeda. Struktur dasar keratin berbentuk heterodimer, dengan polipeptida tipe I membentuk

coiled coil dengan polipeptida tipe II nya. Hubungan antara dua alfa heliks dibentuk karena adanya ikatan hidrofobik di bagian pinggir rantainya. Benang – benang keratin umumnya tersusun atas 12 – 24 heterodimer ini dalam susunan yang teratur.

Berbagai jenis keratin diekspresikan pada sel yang berbeda1 : Lapisan basal - K14 (tipe I) & K5 (tipe II) Lapisan spinosa & granular – K10 (tipe I) & K1 (tipe II) Single-layered epithelial cells – K18,19,20 (tipe I) & K7, 8 (tipe II) Rambut & kuku – berbagai pasangan keratin lainnya.

Penyusunan filamen keratin dimulai ketika polipeptida keratin tipe I dan tipe II yang mengandung ± 310 residu asam amino membentuk alfa-heliks (dimer coiled coil) dimana ujung –NH2 membentuk kepala, sedangkan ujung –COOH membentuk ekornya. Dimer coiled coil ini kemudian kembali menyusun diri membentuk dua barisan dimana dalam tiap barisnya tersusun anti paralel. Susunan ini akan membentuk protofilamen keratin. Selanjutnya, 2 protofilamen akan berdimer kembali sehingga membentuk

protofibril. Terakhir, 4 protofibril bergabung membentuk mikrofibril. Mikrofibril inilah yang menjadi sifat struktural dari keratin.2

Keratin kaya akan residu sistein, yang membentuk ikatan disulfida yang dapat mengikat polipetida yang berdekatan. Selain tipe I dan tipe II, keratin juga diklasifikasikan sebagai “hard” atau “soft” bergantung pada jumlah ikatan disulfidanya. Hard keratin seperti rambut dan kuku lebih keras dibandingkan soft keratin seperti kulit karena ikatan disulfida menghambat perubahan pada rantai. Namun, ikatan disulfida ini dapat berubah jika memaparkan keratin pada agen oksidasi. Hal inilah yang dijadikan sebagai prinsip pengeritingan dan pelurusan rambut.

B. DERMIS3

- KolagenJumlah kolagen hampir mendekati 25 persen dari jumlah seluruh protein tubuh

orang dewasa. Kolagen terdiri atas 14 jenis yang dibedakan atas dasar bentuk seratnya. Hanya tipe kolagen I, II, III, V, VI, dan XI yang berbentuk fibriller. Tipe IV kollagen , penyusun utama dari membran basal, adalah kolagen non-fibriller.

Kolagen tipe I adalah jenis kolagen yang paling melimpah di tubuh. Tipe ini kebanyakan tersusun atas asam amino yang tidak umum, dengan 33% glisin dan 10% prolin. Tipe ini juga tersusun atas 0,5% 3-hydroxiproline, 10% 4-hydroxyproline, dan 1% 5-hydroxylysine.

Asam amino terhidroksilasi ini tidak dicetak oleh kode genetik. Oleh karena itu, asam amino tersebut disintesis post-translasi dari prolin dan lisin.

Kolagen juga memiliki jumlah yang sedikit dari asam amino esensial seperti isoleusin, fenilalanin/tirosin, dan asam amino sulfur. Oleh karena itu, agar – agar bukanlah sumber yang baik untuk diet protein.

Kolagen juga tersusun oleh sedikit karbohidrat (glukosa dan galaktosa) yang terikat dengan hidroksilisin. Jumlah karbohidrat sangat sedikit pada kolagen fibriller, sedangkan cukup besar pada kolagen non fibriller.

Unit struktural dasar dari kolagen fibriller adalah molekul tropocollagen. Molekul ini terdiri atas tiga polipeptida yang berpilin. Pada kolagen tipe I, tiga untaian polipetidanya terdiri atas dua jenis polipetida yang berbeda yaitu rantai α1(I) dan α2(I) yang masing – masingnya terdiri atas 1050 asam amino. Polipeptida ini memiliki urutan sekuens asam amino yang tidak biasa, dengan glisin di setiap posisi ketiga.

Setiap tiga polipeptida dari tropocollagen membentuk heliks poliprolin tipe II. Ini sangat menyerupai dengan heliks poliprolin sintetis, namun sangat berbeda dengan kelompok protein alfa-heliks lainnya. Heliks poliprolin berpilin ke arah kiri dengan 3 asam amino tiap putaran. Selain itu, glisin selalu dapat ditemukan di posisi ketiga dari sekuens asam amino. Tidak seperti protein famili alfa-heliks, poliprolin heliks tidak distabilkan oleh ikatan hidrogen antara ikatan peptida, tetapi oleh reaksi tolak menolak antara prolin dan hidroksiprolin.

Ketiga polipeptida helikal ini kemudian saling berpilin ke arah kanan untuk membentuk satu molekul tropokollagen. Struktur superheliks ini terikat oleh ikatan hidrogen antara ikatan peptida dari polipeptida yang saling berinteraksi. Interaksi muncul akibat adanya residu glisin di tiap – tiap polipeptida karena hanya glisin yang cukup kecil untuk mengakibatkan kontak dekat antara rantai polipeptida. Tropokollagen memiliki panjang 300 nm dan diameter 1,5 nm. Terakhir, tropokollagen ini akan membentuk fibriller dengan berderet lurus secara paralel.

Fibril kolagen mempunyai kekuatan yang sangat besar. Hal ini dibuktikan 1 mm diameter fibril dapat menanggung beban 10 kg. Selain itu, kolagen juga tahan lama, dengan life span dari beberapa minggu (pembuluh darah) sampai beberapa tahun (tulang). Terakhir kolagen juga tahan terhadap protease umum seperti pepsin dan tripsin, namun dapat didegradasi oleh kolagenase ekstraseluler.

Sudah dijelaskan sebelumnya jika kolagen akan mengalami proses post-translasi. Polipeptida yang disintesis di ribosom yang melekat di REK disebut pre-procollagen. Ujung –ujung pre-procollagen disebut propeptide. Propeptide tidak mengandung baik sekuens asam amino yang tidak biasa dan struktur triple heliks. Oleh karena itu, untuk menjadi kolagen yang matur propeptide harus melewati beberapa tahap : (dijelaskan di gambar)

Metabolisme kolagen dapat berubah jika terjadi penuaan dan penyakit. Pada daging hewan muda biasanya akan terasa empuk, sedangkan daging hewan yang sudah tua akan terasa keras. Peningkatan kekakuan daging ini menunjukkan peningkatan kekuatan kolagen juga akibat penambahan jumlah ikatan silang kovalennya. Selain itu, kondisi defisiensi vitamin C dapat menyebabkan penurunan hidroksilasi prolin dan lisin yang akan mengakibatkan kolagen mudah mengalami denaturasi pada suhu tubuh. Kondisi ini akan berujung pada pendarahan, gigi mudah tanggal, luka sukar sembuh, dan ruptur jaringan parut.

- ElastinSerat elastin berperan untuk mengembalikan jaringan ke keadaan semula setelah

mengalami deformasi mekanik. Serat elastin dari matriks ekstraseluler memiliki dua komponen : bagian dalam berupa amorf elastin dan selapis mikrofibril mengelilingi elastin.

Elastin mempunyai komposisi asam amino yang spesifik : glisin (31%), proline (11%), alanin (22%). Pada elastin masih ditemukan sedikit 4-hidroksiprolin, namun tidak dengan hidroksilisin. Seperti kolagen, elastin mengandung ikatan silang kovalen yang merupakan turunan dari alilisin. Oleh karena itu, lisil oksidase

dibutuhkan untuk sintesis elastin seperti pada kolagen. Ikatan silang kovalen pada elastin sama dengan kolagen terkecuali desmosine. Setelah disekresi dari sel residu lisil tertentu mengalami deaminasi oksidatif oleh lisil oksidase membentuk desmosin (kondensasi 3 molekul aldehid turunan lisil dengan lisil membentuk tetrafunctional crosslink.

Elastin menunjukkan berbagai konformasi random coil yang memungkinkan elastin dapat diregang dan kembali ke bentuk semula pada waktu menjalankan fungsinya sebagai jaringan yang bersifat elastis.

Elastin yang amorf dikelilingi oleh mikrofibril. Mikrofibril yang utama yaitu fibrillin-1, dapat mengalami defek pada sindrom marfan. Pasien sindrom marfan umumnya memiliki tanda – tanda badan yang sangat tinggi, ectopia lentis, arachnodactili, dan arteri besar lemah. Kebanyakan pasien meninggal di pertengahan hidupnya akibat ruptur aorta yang mengalami dilatasi.

C. MEMBRAN BASALIS3

Membran basalis bukanlah membran biologis yang sebenarnya, namun hanya lapisan pembatas dengan matriks ekstraseluler. Membran basalis terdiri atas basal lamina yang menghadap sel dan reticular lamina yang menghadap matriks ektraseluler.

Membran basalis terdiri atas kolagen tipe IV. Kolagen ini terdiri atas heliks triple, namun tidak dapat membentuk fibril karena triple heliksnya terinterupsi di bagian ke-20. Walaupun tidak berbentuk fibril, kolagen tipe IV mampu membentuk hubungan dua dimensi yang irreguler di membran basal.

Membran basalis juga mengandung laminin, glikoprotein dengan tiga polipeptida yang berpilin. Laminan memiliki tempat pengikatan untuk reseptor integrin, kolagen tipe IV, heparan sulfat proteoglikan, dan glikoprotein ectatin. Laminin memegang peranan mengikat semua komponen membran basalis dan memediasi interaksi dengan sel.

Terakhir, membran basalis juga terdiri atas heparan sulfat proteoglikan. Proteoglikan ini mempengaruhi permeabilitas membran basalis dengan menahan keadaan negatif protein plasma, sedangkan protein yang bermuatan positif dengan nilai yang sama bisa lewat.

D. MELANIN4,5

Pada manusia, melanin adalah penentu utama dari warna kulit. Melanin juga dapat ditemukan di rambut, iris, dan stria vaskularis telinga dalam.

Melanin di kulit diproduksi oleh melanosit yang ditemukan di lapisan basal epidermis. Walaupun jumlah melanosit pada manusia rata – rata sama, melanosit di beberapa individu dan ras tertentu berbeda dalam mengekspreksikan gen produksi melanin. Hal inilah yang mengakibatkan adanya perbedaan warna kulit pada manusia. Pada manusia dengan kasus sedikit ataupun tidak adanya melanin di tubuhnya disebut albinism. Melanin berfungsi sebagai pelindung kulit dari sinar UV yang berbahaya karena dapat merusak DNA kulit.

Karena melanin merupakan agregasi molekul yang lebih kecil, melanin memiliki beberapa tipe dengan proporsi dan ikatan yang berbeda. Ada dua tipe melanin yaitu eumelanin dan pheomelanin yang ditemukan di kulit manusia dan rambut, namun jumlah eumelanin lebih banyak dibandingkan pheomelanin.

Polimer eumelanin terdiri dari polimer asam 5,6-dihydroxyindole (DHI) dan 5,6-dihydroxyindole-2-karboksilat (DHICA). Eumelanin bersifat insoluble dan ditemukan pada rambut, areola, dan kulit, dan warna rambut (abu-abu, hitam, kuning, dan coklat). Pada manusia, eumelanin lebih banyak pada orang dengan kulit gelap.

Ada dua jenis eumelanin yaitu eumelanin hitam dan coklat. Eumelanin hitam sebagian besar non-Eropa dan Eropa usia tua, sedangkan eumelanin coklat di individu muda eropa. Jumlah eumelanin hitam yang sedikit disertai tidak adanya pigmen lainnya menyebabkan rambut menjadi berwarna abu-abu. Jumlah eumelanin cokelat yang sedikit disertai tidak adanya pigmen lain menjadi penyebab warna rambut coklat muda.

Pheomelanin adalah pigmen larut yang juga ditemukan pada rambut dan kulit baik pada manusia berkulit terang dan gelap. Pheomelanin menimbulkan corak kemerahan sampai kekuningan dan dengan demikian, ditemukan dalam jumlah besar terutama di rambut merah dan pirang. Pheomelanin terutama terkonsentrasi di bibir, areola, puting, kelenjar penis, dan vagina. Pheomelanin juga dapat menjadi karsinogenik saat terkena sinar ultraviolet matahari. Secara kimia, pheomelanin berbeda dari eumelanin dalam struktur oligomernya karena pada pheomelanin unit benzothiazine lah yang dihasilkan, bukan DHI dan DHICA, ketika asam amino L-sistein hadir.

Langkah pertama dari jalur biosintesis baik eumelanin maupun pheomelanin dikatalisis oleh tirosinase: Tirosin → dopa → dopaquinone. Dopaquinone dapat bergabung dengan sistein melalui dua jalur untuk membentuk benzothiazines dan pheomelanins. Dopaquinone sistein → 5-S-cysteinyldopa → benzothiazine pheomelanin menengah → PHEOMELANINDopaquinone sistein → 2-S-cysteinyldopa → benzothiazine pheomelanin menengah → PHEOMELANIN

Atau, dopaquinone dapat dikonversi ke leucodopachrome dan mengikuti dua jalur untuk membentuk eumelanins. Kedua jalur ini dibantu oleh kerja tirosinase dan Cu2+.Dopaquinone → leucodopachrome → dopachrome → 5,6-dihydroxyindole-2-asam karboksilat → kuinon → EUMELANINDopaquinone → leucodopachrome → dopachrome → eumelanin kuinon 5,6-dihydroxyindole →EUMELANIN

Melanin memiliki sifat – sifat yang khusus. Pertama adalah kestabilan melanin yang sangat baik. Hal ini dibuktikan pada fosil masih ditemukannya kandungan melanin yang berarti melanin bersifat nonbiodegradable. Kedua adalah melanin ternyata mengandung unsur radical bebas, tetapi mampu menyerap radikal bebas. Selain itu, melanin juga mampu menyerap cahaya. Terakhir, melanin dapat mengikat obat – obatan. Obat – obatan seperti kokain, epinefrin, dopamine, fenotiazin, dan kloroquine dapat terikat kuat dengan melanin, namun prosesnya masih belum diketahui. Dugaan awal yang ada adalah karena obat – obatan ini memiliki afinitas elektron yang besar dan mudah dalam membentuk radikal bebas.

Radiasi ultraviolet memiliki efek terhadap melanogenesis dalam dua bentuk yaitu IPD (Immediate Pigment Darkening) dan DT (Delayed Stanning). IPD adalah perubahan melanin dan redistribusinya di kulit secara cepat karena membentuk ‘nuclear caps’ untuk melindungi DNA dalam inti sel terhadap kerusakan akibat UV. Sedangkan, DT adalah peningkatan pigmentasi secara permanen, namun berlangsung lama akibat peningkatan aktivitas dan jumlah melanosit.

Ada beberapa perbedaan perubahan ultrastruktural melanosit antara IPD dan DPF. Ketika melanosit terpapar oleh radiasi UVA, selama IPD juluran dendritik semakin menonjol dan banyak filamen – filamen tebal serta mikrotubul; peningkatan dopa melanosit; adanya pergerakan mikrotubul dan filamen dari perinuclear ke ujung – ujung dendritik sambil beriringan dengan melanosom. Jumlah melanosom mengalami perubahan sementara , dan bentuk nukleus makin membulat serta ukuran nukleolus semakin besar.

Selama DPF, perubahan terbesar terjadi pada jumlah melanosom baik tak bermelanin maupun bermelanin. Peningkatan jumlah melanosom secara permanen ini juga menimbulkan peningkatan jumlah organel – organel seperti badan golgi, ribosom, dan

REK. Peningkatan transfer melanin kepada sel keratinosit juga meningkat yang menyebabkan peningkatan granul melanin di epidermis. Pada DPF inti menjadi berbentuk multilobus dan nukleolus makin membesar.

DAFTAR PUSTAKA1. Meisenberg G, Simmons WH. Principles of Medical Biochemistry.2nd

ed.Philadelphia : Elsevier; 2006.p.220-222.2. Voet D, Voet J, Pratt C, "PROTEINS: THREE-DIMENSIONAL STRUCTURE",

Fundamentals of Biochemistry, p. 133 - 134, http://biochem118.stanford.edu/Papers/Protein%20Papers/Voet%26Voet%20chapter6.pdf, retrieved 2010-10-19, "Fibrous proteins are characterized by a single type of secondary structure: a keratin is a left-handed coil of two a helices"

3. Meisenberg G, Simmons,WH. Principles of Medical Biochemistry.2nd ed.Philadelphia : Elsevier; 2006.p.233-245.

4. Agar N, Young AR. "Melanogenesis: a photoprotective response to DNA damage?". Mutation Research.2005;571 (1-2):121 - 132.

5. Sterner JH.Biochemistry and Physiology of The Skin.New York : Oxford University Press;1983.p.687-701.