Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Kimia Bahan Alam: Apa Pentingnya Bagi Kehidupan Manusia?

Pertanyaan pada judul artikel di atas mungkin pernah terbersit di benak beberapa orang karena banyak yang menyadari bahwa kehidupan manusia tidak lepas dari ketergantungannya terhadap alam. Lalu, dari tinjauan kimia bagaimanakah pentingnya pemanfaatan bahan alam tersebut bagi kehidupan kita? Untuk menjawab pertanyaan tersebut, mari kita simak uraian artikel berikut ini.

Selama ribuan tahun sejarah peradaban manusia, pemanfaatan komponen bahan alam menjadi salah satu hal yang tidak terpisahkan dari kehidupan manusia. Mulai dari pohon, yang kayunya digunakan sebagai bahan bangunan dan perapian, daunnya yang dimanfaatkan sebagai pangan dan obat-obatan, dan akarnya yang dimanfaatkan sebagai bahan pakaian, hingga beberapa racun yang diperoleh misalnya dari katak yang digunakan sebagai alat bantu berburu.

Seiring dengan perkembangan zaman disertai dengan perkembangan teknologi, kebutuhan akan komponen bahan alam yang digunakan dalam berbagai bidang menjadi semakin meluas. Tidak saja memenuhi kebutuhan dasar manusia untuk sandang, pangan, dan papan, tapi juga memenuhi kebutuhan akan obat-obatan, kosmetik, pestisida ramah lingkungan, zat warna alami, parfum, dan lain-lain.

Bahan alam sendiri merupakan bidang kajian yang sangat luas. Hingga kini, istilah “bahan alam” dan cakupannya masih diperdebatkan oleh para ahli. Namun, umumnya para ahli sepakat mendefinisikan bahan alam sebagai senyawa, campuran senyawa, atau ekstrak yang diperoleh dari sumber alami, seperti tumbuhan, hewan, bakteri, jamur, maupun organisme laut.

Kajian ilmu yang mempelajari tentang komposisi kimia bahan alam yang khusus terdapat dalam tumbuhan disebut dengan fitokimia. Senyawa-senyawa fitokimia  mencakup berbagai senyawa dengan keragaman yang sangat kompleks. Banyak senyawa ini hingga kini memainkan peranan penting dalam bidang pangan, kosmetik, dan farmasetika.

Senyawa-senyawa fitokimia dapat diperoleh baik dalam jumlah yang besar maupun dalam skala yang kecil dari berbagai bagian tumbuhan seperti daun, bunga, batang, kulit batang, biji, dan akar. Umumnya fitokimia dibatasi pada kajian senyawa-senyawa dengan berat molekul rendah yang diperoleh dari jaringan tanaman. Tabel berikut ini menunjukkan beberapa contoh senyawa fitokimia dan potensi penggunaannya.

Potensi dan sumber beberapa senyawa bahan alam penting.

Sepanjang sejarah, penggunaan senyawa bahan alam sebagai sumber utama obat-obatan telah berkembang dengan pesat. Perkembangan ini disertai dengan seleksi yang ketat dalam hal proses, ekstraksi, keampuhan dalam mengobati penyakit, dan interaksi biokimianya dengan makhluk hidup. Rangkaian proses yang panjang ini pada gilirannya menghasilkan suatu bentuk obat baru dengan struktur yang khas serta efek samping yang terukur.

Beberapa bukti awal sejarah penggunaan senyawa bahan alam untuk kebutuhan medis antara lain penggunaan ekstrak  foxglove (Digitalis purpurea) sebagai obat jantung pada sekitar abad ke-18, penggunaan batang dedalu dan kina untuk pengobatan demam, dan penggunaan ekstrak opium dalam pengobatan disentri. Pada tahun 1804, morfin yang menunjukkan efek analgesik dan sedatif berhasil diisolasi dalam keadaan murninya dari biji tumbuhan opium (Papaver somniferum).

Sepanjang abad ke-19, beberapa ilmuwan berhasil mengisolasi beberapa senyawa aktif tanaman dalam keadaan murninya, seperti kuinina yang berasal dari kina, kokaina yang berasal dari koka (Erythroxylon coca), dan beberapa senyawa lainnya terutama dari jaringan tumbuhan. Pada tahun 1829, ilmuwan berhasil mengisolasi salisina yang berasal dari dedalu (willow tree) yang memiliki efek pereda nyeri, dan pada tahun 1838, asam salisilat berhasil diisolasi dari sumber yang sama. Masalah yang timbul dari penggunaan asam salisilat adalah sifatnya yang mengiritasi lambung sehingga pada abad ke-19 ilmuwan kemudian mensintesis turunan senyawa ini, asam asetil salisilat, yang lebih dikenal sebagai aspirin yang menunjukkan efek iritan yang rendah.

Senyawa-senyawa yang berhasil diisolasi dari tumbuhan: (1) morfina, (2) kuinina, (3) kokaina, (4) salisina, (5) asam salisilat, (6) asam asetil salisilat / aspirin, (7) penisilin, (8) paklitaksel / taxol, (9) artemisina.

Memasuki abad ke-20, penemuan spektakuler penisilin sebagai senyawa antibakteri dari jamur Penicillium notatum oleh Alexander Fleming mampu menyelamatkan jutaan nyawa dari infeksi bakteri selama terjadinya Perang Dunia II. Fleming dianugerahi penghargaan Nobel bidang Fisiologi dan Kedokteran pada tahun 1945. Penemuan spektakuler ini menginspirasi banyak ilmuwan untuk mulai mengeksplorasi senyawa bahan alam yang terdapat pada mikroorganisme seperti jamur dan bakteri. Seleksi ketat terhadap beberapa galur jamur dan bakteri menghasilkan penemuan sejumlah antibiotik lain seperti cephalosporin, tetrasiklin, aminoglikosida, rifamisin, kloramfenikol, dan lipopeptida.

Penemuan obat lain dari bahan alam yang akhirnya disetujui untuk penggunaan klinis adalah paklitaksel yang diisolasi dalam jumlah yang sangat kecil dari kulit batang Pacific yew, Taxus brevifolia, yang lebih dikenal dengan merek dagang Taxol. Senyawa ini diisolasi pada tahun 1970an. Karena jumlahnya yang sangat kecil, senyawa ini baru tersedia secara komersil pada tahun 1992 setelah melalui serangkaian proses sintesis.

Senyawa lain yang tidak kalah penting yang berhasil diisolasi dari herba tanaman adalah artemisinina oleh Tu Youyou, ilmuwan asal Tiongkok. Senyawa ini diperoleh dari Artemisinia annua pada tahun 1972 yang berkhasiat menyembuhkan malaria. Ia pun berhasil mendapatkan Nobel bidang Fisiologi dan Kedokteran pada tahun 2015 atas penemuannya tersebut.

Secara keseluruhan, sekitar 244 prototipe struktur kimia (80% berasal dari hewan, tumbuhan, dan mikroorganisme) telah digunakan sebagai “cetakan” dalam produksi obat-obatan hingga 1995. Sekitar setengah dari obat-obatan yang beredar di pasaran terinspirasi dari struktur alam, baik senyawa langsung maupun turunannya, yang sebagian besar berasal dari organisme terestrial. Senyawa-senyawa bahan alam ini kemudian dibagi menjadi dua kelompok besar, yaitu senyawa metabolit sekunder dan senyawa metabolit primer.

Senyawa metabolit sekunder adalah senyawa yang dihasilkan dalam jumlah terbatas, tidak esensial bagi kelangsungan hidup organisme tersebut, dan bersifat unik yang hanya ditemukan pada spesies atau genus tertentu saja. Fungsi metabolit sekunder adalah untuk mempertahankan diri dari kondisi lingkungan yang kurang menguntungkan, misalnya untuk mengatasi hama dan penyakit, menarik polinator, dan sebagai molekul sinyal. Singkatnya, metabolit sekunder digunakan organisme untuk berinteraksi dengan lingkungannya.

Senyawa metabolit primer adalah senyawa yang dihasilkan oleh makhluk hidup dan bersifat esensial bagi proses metabolisme sel tersebut. Senyawa ini dikelompokkan menjadi 4 kelompok makromolekul yaitu karbohidrat, protein, lipid, dan asam nukleat. Sebagian besar senyawa aktif yang telah diisolasi oleh para ilmuwan menunjukkan banyak di antaranya yang merupakan bagian dari metabolit sekunder. Senyawa ini menunjukkan keaktifan yang tinggi disebabkan oleh keunikan dan keragaman strukturnya serta keberadaannya yang sangat bergantung pada kondisi lingkungan tempat organisme itu hidup.

Keragaman struktur yang amat tinggi ini menyebabkan kesulitan dalam mengidentifikasi struktur-struktur kimia yang ditemukan di alam. Untuk mengatasi hal ini, ilmuwan melakukan penggolongan terhadap senyawa bahan alam berdasarkan jalur biosintesisnya yang terdapat di dalam organisme tersebut. Biosintesis dapat diartikan sebagai proses sintesis senyawa bahan alam yang berlangsung di dalam organisme hidup.

Berbeda dengan sintesis senyawa organik di laboratorium yang biasanya menggunakan reagensia yang “keras” seperti asam kuat, basa kuat, dan logam berat maupun suhu yang ekstrem, sintesis senyawa organik di dalam organisme hidup berlangsung relatif “lembut” pada suhu kamar tanpa menggunakan reagensia yang “keras”. Hal ini dimungkinkan terjadi karena adanya enzim dalam organisme hidup tersebut yang mengkatalisis reaksi kimia. Enzim tersebut mengkatalisis reaksi yang sangat spesifik dan keberadaan enzim ini erat kaitannya dengan kondisi genetik dan lingkungan dimana organisme tersebut hidup.

Kembali ke penggolongan senyawa kimia bahan alam, umumnya senyawa ini digolongkan berdasarkan jalur biosintesisnya, yakni (1) jalur asetat, (2) jalur sikimat, (3) mevalonat dan metilerithrol fosfat, dan (4) kombinasi berbagai jalur. Contoh senyawa yang diperoleh dari kombinasi berbagai jalur adalah alkaloid yang biasanya diturunkan dari asam amino.

Jalur asetat dalam biosintesis senyawa asam lemak dan poliketida. Biosintesis kedua golongan senyawa ini dimulai dari asetilkoenzim-A dan malonilkoenzim-A, suatu jenis koenzim yang terdapat di dalam beragam jenis organisme. Selanjutnya, kedua substrat ini akan mengalami serangkaian reaksi enzimatik yang pada akhirnya menghasilkan poliketida dan asam lemak.

Jalur sikimat dalam biosintesis senyawa terpenoid dan steroid. Dimulai dari D-erithrosa-4P yang secara singkat menghasilkan empat prekursor utama, asam sikimat, asam protokatekuat, asam galat, dan asam kuinat, yang melalui serangkaian reaksi enzimatik akan diperoleh asam amino aromatik, fenil propanoid, dan flavonoid.

Jalur mevalonat dan metilerithrol fosfat dalam biosintesis senyawa asam amino aromatik, fenil propanoid, dan flavonoid. Berawal dari asetlkoenzim-A, serangkaian proses enzimatik akan menghasilkan isopentenil pirofosfat dan dimetilalil pirofosfat, yang merupakan prekursor utama senyawa-senyawa terpenoid dan steroid.

Dari pemaparan di atas, jelaslah bahwa kontribusi kimia bahan alam bagi kehidupan manusia amatlah besar. Bidang ini terbukti memberikan kontribusi yang nyata terutama dalam membantu menyelamatkan jutaan nyawa dari berbagai penyakit dan infeksi. Tentu saja, bidang ini tidaklah dapat berdiri sendiri, ia membutuhkan kontribusi terpadu dari berbagai bidang ilmu, hingga pada akhirnya akan menghasilkan senyawa yang benar-benar dirasakan manfaatnya. Pada artikel-artikel selanjutnya, penulis akan menunjukkan bagaimana bidang lain terkait baik secara langsung maupun tidak langsung dalam perkembangan ilmu kimia bahan alam, juga akan dipaparkan bagaimana keragaman struktur senyawa bahan alam akan mempengaruhi aktivitas biologisnya.

Bahan bacaan:

  • Dewick, P. M. 2009. Medicinal Natural Products a Biosynthetic Approach. Third Edition. John Wiley & Sons. London.
  • Krause, J. & Tobin, G. 2013. Chapter 1 : Discovery, Development, and Regulation of Natural Products. Dalam buku Using Old Solutions to New Problems – Natural Drug Discovery in the 21st Century. InTech Open.
  • Harjo, B., Wibowo, C., & Ng, K. M. 2004. Development of Natural Product Manufacturing Processes Phytochemicals. Chemical Engineering Research and Design, 82(A8): 1010–1028.

Penulis:
Kindi Farabi, Mahasiswa S-3 Bidang Kimia Bahan Alam di Fukase Laboratory, Osaka University.
Kontak: kindi(dot)farabi(at)gmail(dot)com