BIOTRANSFORMASI

ERWIN DYAH N

DEFINISI

• Biotransformasi = proses perubahan bahan kimia menjadi bahan kimia lain melalui reaksi kimia yg terjadi di dalam tubuh

• Proses biotransformasi = Metabolisme / transformasi metabolik

• Namun, pd metabolisme kadang tdk spesifik hanya proses transformasi saja, di sini juga terjadi fase toksikokinetik

Biotransformasi• Penting untuk kehidupan karena : - ada proses perubahan zat gizi (nutrien) bahan yg diperlukan untuk fungsi tbh secara normal • Ex: Pd obat -- kdg yg dibutuhkan metabolitnya-bukan obat aslinya Misal: phenoxybenzamine (Dibenzyline®)- obat HT hrs ditransformasi menjadi metabolitnya ( bahan aktif yg diperlukan adlh metabolitnya)

- slh satu mekanisme pertahanan diri (defense) - mel detoksifikasi ekskresi

• Toksikan yg lipofilik , non polar, BM rendah mdh menembus membran (kulit, GIT, & paru)

• Lipofilik sulit dieliminasi akumulasi level bahaya

• Lipofilik sebag. > dpt diubah metabolit yg hidrofilik > sulit menembus membran sel penting & > mdh dikeluarkan

• Jadi – “biotransformasi mrpk kunci utama mekanisme pertahanan tubuh!”

• Tbh manusia punyaikapasitas biotransformasi yg sangat baik u/ sebag. > xenobiotik & limbah tubuh

• Limbah metabolisme yg harus dieliminasi misalnya: Hb• penghancuran SDM pelepasan Hb • Pd kondisi normal :• Hb biotransformasi Bilirubin (toksik bagi otak bayi

baru lahir pd kadar tinggi irreversible brain injury)• Bilirubin (lipofilik) biotransformasi hidrofilik

ekskresi (urin & feces)

• Proses biotransformasi : tdk perfect – Detoksifikasi -- menjadi < toksik– Bioaktifasi – menjadi > toksik

• Kadang, biotransformasi dpt menghasilkan metabolit yg dpt berinteraksi dg DNA efek parah pd kesh.

• Ex: • Vinyl chloride vinyl chloride epoxide

berikatan kovalen dg . DNA & RNA Cancer liver.

For Academics :

The term "biotransformation" refers to:a. an increase in electrical charge in tissues produced by a biological transformerb. chemical reactions in the body that create a new chemical from another chemical c. the transformation of one type of cell in a tissue to another type of cell

• Biotransformation is the process whereby a substance is changed from one chemical to another (transformed) by a chemical reaction within the body.

For Academics :

Detoxification is a biotransformation process in which:a. metabolites of lower toxicity are producedb. metabolites of higher toxicity are produced

• When biotransformation results in metabolites of lower toxicity, the process is known as detoxification.

Chemical reactions• Terjadi terus menerus di tubuh terjadi • Mrpk aspek kehidupan normal berperan dlm : a. Membangun jaringan baru b. Pembongkaran jaringan yg sdh tua c. Mengubah makanan energi d. Pembuangan zat sisa e. Eliminasi xenobiotic toksik • Di dlm tbh >> reaksi kimia – sangat teratur & terjadi saat dibutuhkan • >> terjadi pd kecepatan yg cukup- krn peran enzym sbg katalis • Katalis : bahan kimia yg membantu mempercepat reaksi ttp tidak ikut

bereaksi

Enzym• Mrpk katalis untuk hampir semua reaksi kimia dlm tbh • Tanpa enzym reaksi lambat masalah kesehatan • Ex: • Org yg mengalami phenylketonuria (PKU) tak bs menggunakan pemanis yg

mengandung aspartame (in Equal®). • Aspartame = phenylalanine ( ada dlm sebagian besar makanan yg mengd prot.)• ggn genetik PKU tdk dpt mengubah : phenylalanine tyrosine (another amino acid)

menumpuk dlm tbh

Retardasi mental parah

Bayi : hrs rutin dicek PKU (saat lahir) jk + diet khusus (dibatasi asupan phenylalanine saat bayi/anak2)

Reaksi enzymatik

• tdk selalu sederhana • Ada enzym yg bth cofactors / co-enzymes u/

membantu tugasnya sbg katalis • co-factors : komponen normal di sebagian besar

sel & sering terlibat dlm reaksi perubahan zat gizi menjadi energi

• Contoh co-factor : Vitamin • Yg memegang kunci transformasi xenobiotik

adalah OBAT atau enzym

The relationship of substrate, enzyme, co-enzyme, and transformed product is illustrated below:

>> Enzym untuk biotransformasi

• Protein BM tinggi • Td. atas rantai AA dg ikatan peptida • Sangat spesifik (hanya membantu reaksi

tertentu) • Sering diibaratkan kunci dan gembok • Terlihat dlm gambar: jk suatu bahan cocok dg

enzym terbentuk komplek enzym-substrat reaksi 2 bahan kimia

Specifisitas Enzym

contohAbsolut Spesificity:• Formaldehyde dehydrogenase hanya sbg katalisator pd reaksi

kimia formaldehyde• Acetylcholinesterase hanya sbg katalisator bahan kimia

neurotransmiter acetylcholineGroup specivicity:• Alcohol dehydrogenase mempunyai “ group specificity” krn dpt

mengubah beberapa jenis alkohol termasuk methanol & ethanolLinkage specivicity:• N-oxidation dpt mengkatalis reaksi yg ada ikatan nitrogen dg

menggantikan gugus nitrogen dg oksigen

Penamaan enzym

• Kecuali untuk pepsin & trypsin semua diberi akhiran “ase” + bahan yg bereaksi dan tipe reaksi

• Ex: • Alcohol dehydrogenase = enzym yg

mengubah Alkohol dengan melepaskan hidrogen hasilnya aldehyde atau keton

Biotransformasi alkohol acetaldehyde

• ADH = alcohol dehydrogenase, a specific catalyzing enzyme• NAD = nicotinamide adenine dinucleotide, a common cellular reducing

agent

Faktor yg mempengaruhi reaksi biotransformasi

• Suatu xenobiotik dpt diubah menjadi > toksik/ < toksik dipengaruhi oleh :

• Dosis• Circumstances (cara minumnya)• Ex: • Tylenol (asetaminophen) –obat analgesik & antipiretik • Jika diminum sesuai dosis anjuran efek yg diinginkan• Jika melebihi dosis hepatotoxicity

• Jika dosis ber >> < enzym obat mengalami reaksi melalui jalur lain bioaktivasi hepatotoksik

• O.k.i hanya boleh diminum setiap 4-6 jam dan tidak boleh diminum me>i 4 dosis/24 jam • Enzym – jumlah terbatas dapat kehabisan

(melebihi kemampuan tubuh untuk mensintesis kembali) "Dose Makes the Poison."

Pengelompokan Reaksi biotransformasi

1. Menurut jenis reaksinya (misal : oksidasi, reduksi) 2. Menurut Fase (urutannya) • Reaksi Fase I : modifikasi bahan kimia dg menambah

strk. kimia fungsional bahan menjadi cocok (fit) u/ msk Fase II konjugasi (bergabung dg bahan lain)

• Reaksi fase II terdiri atas: reaksi enzymatik yg mengikat xenobiotik yg sdh termodifikasi dg bahan lain konjugat

• Konjugat molekul > besar & > polar (larut air) mdh dikeluarkan , sulit menembus membran sel

Bahan yg tdk perlu melalui fase I jadi langsung ke fase II • Ex: Phenol • Phenol langsung terkonjugasi menjadi metabolit

yg bs langsung di ekskresi

• Benzen perlu fase I & II • Pada fase I : benzen phenol• Pada fase II : phenol terkonjugasi phenyl sulfate

Biotransformasi benzen

Reaksi transformasi utama :

Fase I : a. Oksidasi

• Proses dmn molekul/Substrat kehilangan elektron• reaksi = oksidasi krn pertamakali ditemukan mrpk

reaksi penambahan oksigen • Reaksi oksidasi tdk selalu melibatkan Oksigen • Contoh reaksi oksidasi yg tak melibatkan oksigen : - dehydrogenation lepasnya ion H molekul - electron transfer berpindahnya elektron dari substrat

Fase I : b. Reduksi• Substrat menerima elektron • Paling banyak terjadi pd xenobiotik jika O2 rendah • Reduksi dpt terjadi pada ikatan ganda nitrogen-nitrogen

(azo reduction) atau pada kelompok nitro (NO2). • Seringkali, AA yg dihasilkan akan teroksidasi membentuk

metabolit yg toksik • Beberapa bahan kimia spt CCl4 dapat tereduksi oleh

radikal bebas yg sangat reaktif thd jaringan • Jadi : Reduksi > sering mengakibatkan Bioaktivasi

Contoh reduksi kelompok nitro:

Fase I : Hydrolisis

• Penambahan air menyebabkan toksikan terpecah menjadi 2 fragmen atau molekul yg > kecil --Kelompok hidroksil(OH-) & atom hidrogen

• Yg sering mengalami hidrolisis : esters, amines, hydrazines, & carbamates

• Contoh biotransformasi procaine (local anesthetic) yg terhidrolisis menjadi 2 bhn kimia lain sbb :

Hidrolisis

Fase II

• xenobiotic yg telah melewati fase I new intermediate metabolite –yang terdiri atas bahan kimia reaktif spt:

• hydroxyl (-OH), amino (-NH2), &carboxyl (-COOH)

• Bebrapa blm menjadi ckp hidrofilik –msh sulit dikeluarkan harus melalui fase II (reaksi biotransformasi tambahan)

Fase II• Reaksi konjugasi • Molekul normalnya dlm tubuh ditambahahkan pd

metabolit dari reaksi fase I terkonjugasi (> hidrofilik) mdh dikeluarkan

• Reaksi utama pada fase II: – glucuronide conjugation - most important reaction– sulfate conjugation - important reaction– acetylation– amino acid conjugation– glutathione conjugation– methylation

Fase II : konjugasi glukoronide• Paling penting dari fase II • salah satu molekul yg ditambahkan pada metabolit hasil fase I : asam

glukoronat (berasal dari glukosa) • Bagian yg mengalami reaksi glucuronidasi adalah substrat yg mengandung

ikatan oxygen, nitrogen, atau sulfur Contoh : • bilirubin, hormon steroid dan tiroid • Glucuronidasi mrpk jalur yg kapasitasnya tinggi untuk konjugasi

xenobiotik. • Melalui jalur ini toksisitas berkurang (Pengecualian : pd bahan carcinogenik )• Konjugat glucuronide biasanya ckp hidrofilik mudah dikeluarkan

(melalui empedu)

The glucuronide conjugation of aniline is illustrated below:

Fase II : konjugasi sulfat

• Ikatan dengan sulfat • >> akan menurunkan toksisitas • konjugat sulfat akan segera diekskresikan

melalui urine. • Jalur ini kapasitasnya rendah u/ konjugasi

xenobiotic. • Sering xenobiotik yg sama dpt mengalami

konjugasi melalui jalur glukoronidasi atau sulfatasi

For Academics :

The substances in the body that accelerate chemical reactions are known as:a. amino acidsb. substratesc. enzymes

• Enzymes are proteins that catalyze nearly all biochemical reactions in the body.

For Academics :

The convention used to name specific enzymes consists of :a. combining the substrate name with the type of chemical reactionb. combining the target organ and the type of chemical reactionc. combining the substrate name with the form of toxicity

• Enzyme names end in "ase" and usually combine the substrate acted on and the type of reaction catalyzed (a)

For Academics :

Biotransformation reactions are classified as Phase I and Phase II. The basic difference is:a. Phase I reactions conjugate a substrate whereas Phase II reactions oxidize the substanceb. Phase I reactions generally add a functional structure whereas Phase II reactions conjugate the substancec. a Phase I reaction generally makes a substance more hydrophilic than a Phase II reaction

• Phase I reactions are generally reactions which modify the chemical by adding a functional structure. This allows the substance to "fit" into the Phase II enzyme so that it can become conjugated (joined together) with another substance. Phase II reactions consist of those enzymatic reactions that conjugate the modified xenobiotic with another substance (b)

For Academics :

The difference between oxidation and reduction reactions is:a. a substrate gains electrons from an oxidation reaction whereas it loses electrons by a reduction reactionb. oxygen is removed from a substrate in oxidation and added in the reduction reactionc. a substrate losses electrons from an oxidation reaction whereas it gains electrons by a reduction reaction

• Oxidation is a chemical reaction in which a substrate loses electrons. Reduction is a chemical reaction in which the substrate gains electrons (c)

For Academics :

Which conjugation reaction is the most common in the biotransformation of xenobiotics?a. amino acid conjugationb. glucuronide conjugationc. methylation

• Glucuronide conjugation is one of the most important and common Phase II reactions. Glucuronidation is a high-capacity pathway for xenobiotic conjugation (b)

Biotransformation Sites

• Enzym Biotransformasi tersebar luas di seluruh tubuh • Liver organ biotransformasi utama - besar - banyak enzym di sini • Ginjal & paru kapasitas biotransformasi 10-

30% dibanding liver • Kulit , usus, testis, plasenta kapasitas rendah • O.k.i liver sangat rentan thd toksisitas xenobiotic yang

mengalami bioaktivasi

• Enzym dlm sel berada pd : microsomes (small vesicles) dari Endoplasmic reticulum dan bagian sitoplasma (cytosol)

• Aktifitas transformasi sebagian kecil terjadi juga di : mitochondria, nucleus, dan lysosome

Cytochrome P-450

• Enzym utama pd Fase I • sistem enzym ini disebut : "mixed function

oxidase (MFO) " system. • Ada di microsome • Bertanggungjawab pada reaksi oksidasi

Liver

• Biotransformasi hampir semua xenobiotics • Aliran darah dari GIT langsung ke liver – liver

rentan thd toksikan yg melalui ingesti • Darah dari GIT tdk langsung ke sirkulasi umum

(lewat EHC) disebut "first pass" phenomena. • Dari liver darah ke seluruh area tbh (sebag

besar sdh didetoks di liver) • Metabolit yg toksik ada pd kadar tinggi di liver

For Academics :

The organ that has the greatest ability to biotransform xenobiotics is the:a. liverb. pancreasc. skin

• Biotransforming enzymes are widely distributed throughout the body. However, the liver has the largest concentration of all organs and thus has a very high capacity for biotransformation.

For Academics :

The "first pass" phenomenon pertains to:a. the situation where xenobiotics that are absorbed from the GI tract first enter the circulating blood before going to the liverb. a condition where the liver first biotransforms a xenobiotic by Phase II reaction before it is biotransformed by a Phase I reactionc. an anatomical arrangement in which xenobiotics absorbed from the intestine go to the liver first rather than into the systemic circulation

• Blood leaving the gastrointestinal tract does not directly flow into the general circulatory system. Instead, it flows into the liver first via the portal vein. This is known as the "first pass" phenomena.(c)

Faktor pemodifikasi biotransformasi

• Efektifitas biotransformasi tergantung pada beberapa faktor : species, age, gender, genetic variability, nutrition, disease, exposure to other chemicals that can inhibit or induce enzymes, and dose levels.

• perbedaan dasar selective toxicity • Ex: • Pestisida aman bagi manusia tp tdk untuk tikus • malathion pd mamalia di ubah (hidrolisis) menjadi metabolit

yg kurang toksik– di insekta malah menjadi metabolit yg > toksik ( teroksidasi menjadi malaoxon yg letal bg insekta)

Usia & sex

Usia efisiensi biotrans • Neonatus terbatas • Dws aktifitas stabil• Tua menurun

sex:• Terkait dg hormon

genetik

• Ada yg secara genetik dpt bereaksi cepat pd acetylasi

•

Contoh obat yg metabolismenya lambat krn defect metabolik

Gizi buruk & penyakit

Gizi buruk• Mempengaruhi kemampuan biotransformasi • Terkait dg rendahnya protein, vitamin & logam

essensial • Menurunkan kemampuan sintesa enzym Penyakit• Ada bbrp penyakit yg menyebabkan menurunnya

kapasitas biotransf. • Ex: hepatitis

Enzyme Inhibition

• Bs o.k. Pajanan xenobiotics• Ok pajanan xenobiotik ttt menghambat

kapasitas biotransformasi (o.k. Hambatan pd enzym ttt)

• Mekanisme utama : kompetisi antara 2 zat thd enzym oksidasi atau konjugasi

• Zat 1 menggunakan enzym yg dibutuhkan untuk memetabolisme zat 2

Enzyme Induction• Adanya pajanan dengan bhn kimia ttt / obat

meningkatkan kapasitas biotransformasi xenobiotik • Zat 1 merangsang tbh untuk produksi enzym aktifitas

enzym meningkat biotransformasi meningkat • Contoh penginduksi : Alcohol, isoniazid, polycyclic halogenated aromatic hydrocarbons (e.g., dioxin), phenobarbital, and cigarette smoke. Reaksi yg paling sering terinduksi : reaksi yg melibatkan enzym cytochrome P-450

Pengaruh dose level pd biotransformasi

• Pd kondisi tertentu proses biotransformasi yg terjadi bs sangat berbeda pd dosis tinggi dibanding rendah

• Hal ini yg berperan pd NAB dosis toksisitas • hal ini krn proses biotrans yg berbeda pd dosis tinggi. • Pd dosis rendah xenobiotik mengikuti jalur

biotransformasi u/ detoks. • Jk dosis berlebihan melampaui kapasitas enzym

jalur biotrans. Jenuh xenobiotik yg blm dibiotrans menumpuk masuk jalur lain bioaktifasi

Contoh dose-related difference pd tylenol (acetaminophen)

• pd dosis normal : • 96% didetoksifikasi melalui konjugasi sulfatasi &

glukoronidasi • 4% bioaktifasi kmd dikonjugasi oleh GSH

dikeluarkan • Jika dosis : 7-10 kali lebih besar jalur konjugasi sulfat

dan glucoronat menjadi jenuh metabolilk > toksik • GSH dlm liver –juga berkurang (deplesi) metabolik

toksik tdk bisa didetoks. bereaksi dg protein liver “ fatal liver damage”

For academics

Selective toxicity refers to a difference in the toxicity of a xenobiotic to different species. This selective toxicity can usually be attributed to:a. differences in the ability to absorb the xenobioticb. differences in organ systems between speciesc. differences in capability to biotransform the xenobiotic

• A difference between species in their capability to biotransform a specific chemical is normally the basis for a chemical's selective toxicity.