Metabolisme Xenobiotika

Arta FarmawatiBagian Biokimia

Fakultas Kedokteran UGM

Metabolisme Xenobiotika 1. Metabolisme xenobiotika

2. Reaksi konjugasi

3. Respon terhadap xenobiotika pada sel

* efek farmakologik

* toksik

* imunologik

* karsinogenik

4. Peran sitokrom P450 dalam aktivasi

Pendahuluan Senyawa xenobiotika: senyawa asing

(semua senyawa kimia ) yang dalam

keadaan normal tidak dibutuhkan oleh

tubuh mahluk hidup

Contoh: obat-obatan, pestisida, pencemar

lingkungan (Pb, CO), bahan kimia

industri, bahan pengawet, pewarna dan

penyedap rasa pada produk makanan

Senyawa xenobiotika masuk ke dalam

tubuh dapat melalui

* mulut (makanan, obat-obatan)

* pernafasan (asap rokok, asap kendaraan)

* lewat kontak dengan kulit (keracunan

pestisida pada petani)

* intra vena

Pengaruh dalam tubuh Umumnya memberi pengaruh pada sistem dan fungsi

normal tubuh

Pengaruh yang diharapkan - efek terapeutik obat (efek untuk penyembuhan

penyakit atau menghilangkan gejala penyakit)

* pengaruh yang tidak diharapkan - efek samping

- efek toksik

- Melalui proses metabolisme dan proses ekskresi, tubuh mampu menghilangkan semua pengaruh yang timbul setelah mengalami perubahan struktur kimia

- Metabolisme xenobiotika memegang arti penting dalam proses eliminasi xenobiotika

Metabolisme xenobiotik

Dibagi menjadi 2 fase: reaksi fase 1 dan 2

*Reaksi fase 1 - reaksi non-sintetik, merupakan pembentukan gugus fungsional atau perubahan gugus fungsional yang sudah ada dalam xenobiotika - reaksi non-sintetik meliputi reaksi oksidasi, reduksi dan hidrolisis - reaksi oksidasi, mrpk 90% reaksi metabolisme fase 1, dikatalisis oleh sistem enzim mikrosomal (mixed function oxydase system = MFO) dengan sitokrom P450

* Reaksi fase 2- Merupakan reaksi sintetik atau konjugasi. - Merupakan penggabungan antara molekul

xenobiotika atau metabolit yang terbentuk dari fase 1 pd gugus fungsionalnya dengan senyawa endogen

- Reaksi sintetik meliputi reaksi glukuronidasi, sulfatasi, konjugasi dengan as. amino, asetilasi, konjugasi dengan glutation dan metilasi

- Umumnya dikatalisis oleh enzim-enzim sitosolik kecuali glukuronidasi

Reaksi konjugasi1. Glukuronidasi

- sbg donor glukuronil: UDP-asam glukuronat

dan enzim yg bekerja glukuronil transferase

(dlm retikulum endoplasmik dan sitosol)

untuk membentuk konjugat glukuronat

Contoh: anilin, asam benzoat, fenol, dan

banyak steroid diekskresikan sebagai

glukuronid

- glukuronid dapat diikatkan pada oksigen,

nitrogen, atau gugus sulfur substratnya

2. Sulfatasi - sebagai sulfat donor: adenosin 3’-fosfat-5’-

fosfosulfat (PAPS) dan senyawa ini disebut

sulfat aktif enzim sulfatransferase

Contoh: alkohol, arilamin, fenol, steroid, glikoaminoglikan, glikolipid, glikoprotein

3. Konjugasi dengan glutation - glutation adalah dipeptida yg terdiri dari

asam glutamat, sistein, glisin

- untuk pembentukan konjugat glutation membutuhkan glutation tereduksi (GSH) enzim glutation S-transferase dan epoksid hidrolase

- konjugat glutation selanjutnya mengalami metabolisme lagi sebelum diekskresikan: gugus glutamil dan glisinil akan dikeluarkan oleh enzim spesifik dan gugus asetil yang diberikan oleh asetil- KoA bereaksi dengan as. amino sistein membentuk asam merkapturat yg selanjutnya diekskresikan melalui urine

4. Asetilasi * sebagai donor asetil: asetil-KoA yang dikatalisis oleh asetiltransferase yang terdapat dalam sitosol berbagai jaringan terutama hati

5. Metilasi * hanya sebagian kecil xenobiotika yang

mengalami metilasi. Sebagai donor metil:

S-adenosilmetionin

* Enzim yang mengatalisis:

metiltransferase

The figure is from: Color Atlas of Biochemistry / J. Koolman, K.H.Röhm. Thieme 1996. ISBN 0-86577-584-2

endogenic conjugation substance

activated conjugation substance

Cyt. P450 GSH S transferase/ Xenobiotika metabolik metabolik

reaktif tak toksis

epoksida hidrolase

ikatan kovalen pada makromolekuler

Sel luka hapten mutasi

Produksi antibodi kanker

Sel luka

Pengikatan kovalen dengan makromolekul sel

- bila terikat dengan protein, memodifikasi dan mengubah sifat antigenisitas dikatakan xenobiotika bekerja sebagai hapten bergabung dengan antibodi

antibodi merusak sel melalui bbrp mekanisme imunologi mengganggu berbagai proses biokimiawi seluler yang normal

Ikatan senyawa reaktif dengan DNA - mengakibatkan perubahan biokimiawi dan faali mutasi kanker

Organ target toksisitas xenobiotika• Alasan organ menjadi target toksisitas 1. pasokan aliran darah 2. keberadaan enzim tertentu / jalur biokimiawi spesifik 3. posisi dan fungsi organ

Lanjutan

4. Tingkat kekhususan

5. Kemampuan memperbaiki kerusakan

6. Ketersediaan sistem pengambilan

spesifik

7. Kesetimbangan proses toksikasi-

detoksikasi serta keterikatan pada

makromolekul tertentu

Peran sitokrom P450 dalam aktivasi metabolik xenobiotika

Dalam aktivasi di samping sit. P450 juga enzim reduktase NADPH-sitokrom c Untuk keseluruhan reaksi dibutuhkan oksigen molekuler dan NADPH Merupakan sekelompok enzim yang terdiri atas berbagai famili Setiap famili terdiri atas beberapa sub famili, dan setiap sub famili terdiri atas berbagai isozim

Lanjutan

• berdasarkan pada kemiripan urutan asam amino penyusun apoproteinnya, spesifisitas substrat, elektroforetik dan sifat immunologiknya

• Telah ditemukan ± 150 isozim sit. P450 (2003) dan ditandai huruf arab

• Contoh: CYP1A1: sit. P450 famili 1, subfamili A

dan anggota 1 dari subfamilia A

* Seperti hemoglobin, sit. P450 adalah hemoprotein

Beberapa sifat sitokrom P450• Terlibat dalam metabolisme xenobiotika fase 1,

50% termasuk obat-obat yg diberikan pada manusia

• Terlibat dlm metabolisme banyak senyawa endogen (steroid)

• Semua sitokrom P450 adalah hemoprotein• Sering memperlihatkan spesifisitas substrat yg

luas bekerja pd banyak senyawa P450 yg berbeda dapat mengatalisis pembentukan produk yang sama

lanjutan

• Mrpk katalisator yg multiguna mengatalisis sekitar 60 tipe reaksi

• Pd dasarnya P450 mengatalisis reaksi yg menyisipkan 1 atom oksigen ke dlm substrat dan 1 atom ke dlm air

• Produk hidroksilasinya lebih mudah larut dari substratnya

• Sit.P450 terbanyak tdp dalam hati• Bbrp keadaan produknya bersifat mutagenik dan

karsinogenik• Ada yg bersifat mudah diinduksi penyebab

interaksi obat• Dapat dihambat oleh berbagai obat dan produk

metaboliknya penyebab interaksi obat lainnya dll.

Lanjutan• Berada terbanyak di hepar, kemudian usus

halus, terutama pada membran retikulum endoplasmik halus, terdapat pada fraksi mikrosomal

• Di mikrosoma hepar sit. P450 terdapat sebanyak 20% dari total protein

• Di adrenal terdapat dalam mitokondria dan RE berperan dalam sintesis kolesterol dan steroid

• Ada 6 isozim sit. P450 terdapat dalam RE hepar untuk detoksikasi xenobiotika dan senyawa endogen

Beberapa reaksi obat akibat bentuk mutan atau polimorfik enzim atau protein

Enzim/protein yg terkena Reaksi atau Akibat

1. Glukosa-6P dehidrogenase anemia hemolitika akibat minum obat:

(G6PD) --- mutasi

2. Saluran pelepasan Ca2+ (resep- hipertemia maligna, sesudah pemberian

tor rianudin) dlm retikulum anestesi tertent : halotan

sarkoplasma….mutasi

3. CYP2D6 (polimorfisme) metabolisme lambat obat-obat tertentu:

debrisoquin (yang menyebebkan akumulasi

obat tersebut)

4. CYP2A6 (polimorfisme) gangguan metabolisme nikotin yang mem-

berikan perlindungan agar orang tidak men-

di perokok yang tidak tergantung pada tem-

bakau

The figure is from: Color Atlas of Biochemistry / J. Koolman, K.H.Röhm. Thieme 1996. ISBN 0-86577-584-2

Example of a reactions catalyzed by cyt P450

CYP family Main functionsCYP1 Xenobiotic metabolismCYP2 Xenobiotic metabolismArachidonic acid

metabolismCYP3 Xenobiotic and steroid metabolismCYP4 Fatty acid hydroxylationCYP5 Thromboxane synthesisCYP7 Cholesterol 7α-hydroxylationCYP8 Prostacyclin synthesisCYP11 Cholesterol side-chain cleavage Steroid

11β -hydroxylation Aldosterone synthesis

Human CYP families and their main functions. Data adapted from (Gonzalez 1992, Nelson et al. 1996, White et al. 1997, Nelson 1999, Lund et al. 1999)

CYP17 Steroid 17α-hydroxylation

CYP19 Androgen aromatization

CYP21 Steroid 21-hydroxylation

CYP24 Steroid 24-hydroxylation

CYP26 Retinoic acid hydroxylation

CYP27 Steroid 27-hydroxylation

CYP39 Unknown

CYP46 Cholesterol 24-hydroxylation

CYP51 Sterol biosynthesis

Metabolisme Xenobiotik Obat

• Obat yang sudah aktif → metabolisme xenobiotik fase 1 berfungsi mengubah obat aktif menjadi inaktif.

• Obat yang belum aktif → metabolisme xenobiotik fase 1 berfungsi mengubah obat inaktif menjadi aktif.

Alcoholism• Alcoholism leads to fat accumulation in liver

hiperlipidemia cirrhosis • Ethanol consumption over a long period

oxidation by alcohol dehydrogenase leads to exess production of NADH

Alcohol dehydrogenase

CH3-CH2-OH CH3-CHO

ethanol NAD+ NADH + H+ acetaldehyde

reactive metabolite

cell injury mutation cancer

Obrázek převzat z: Color Atlas of Biochemistry / J. Koolman, K.H.Röhm. Thieme 1996. ISBN 0-86577-584-2

29,4 kJ/g of ethanol

Kesimpulan (1)

• Xenobiotiksenyawa asing bagi tubuhEndogen: obat-obatan (steroid), asam lemak,

retinoidEksogen: zat polutan, zat tambahan pada

makananLebih dari 200.000 telah teidentifikasi

Kesimpulan (2)

• Metabolisme dalam 2 tahap

• Hidroksilasi, dikatalisis berbagai monooxygenase (sitokrom P450)

• Konjugasi dengan berbagai senyawa hidrofilik (as. glukuronat, sulfat, glutation)

• Kedua fase tersebut membuat fase lipofilik menjadi hidrofilik dapat dieliminasi dari tubuh

Kesimpulan (3)

• Sitokrom P450 biokatalis paling fleksibelHemoproteinNADPH dan NADPH-

cytochrome reduktase termasuk dalam mekanisme reaksi

Umumnya terletak di retikulum endoplasma hati

Katalisator perubahan H pd xenobiotik gugus hidroksil (OH)

Kesimpulan (4)

• Reaksi Hidroksilasi oleh enzim Sitokrom P450 adalah sbb:

RH + O2 → R-OH + H2O

• Xenobiotik dapat menghasilkan berbagai efek biologis respon farmakologi toksisitas reaksi imunologikanker