Proses Metabolisme Xenobiotik

Xenobiotik (Yunani xenos, “orang asing”) adalah senyawa yang asing bagi tubuh. Kelas-

kelas utama xenobiotik yang relevan dari segi medis adalah obat, karsinogen kimia, dan berbagai

senyawa yang melalui satu dan lain cara, sampai di lingkungan kita, misalnya polychlorinated

biphenyls (PCB) dan insektisida tertentu. Sebagian besar xenobiotik mengalami metabolisme di

dalam tubuh manusia dengan hati sebagai organ utama yang berperan; kadang-kadang suatu

xenobiotik diekskresikan tanpa mengalami perubahan. Metabolisme xenobiotik dibagi menjadi

dua fase, yaitu :

1. Fase 1, reaksi utama adalah hidroksilasi yang dikatalisis oleh beberapa anggota suatu

kelas enzim yang disebut mono-oksigenase atau sitokrom P450. Hidroksilasi dapat

menghentikan aksi obat, walaupun tidak selalu demikian. Selain reaksi hidroksilasi,

enzim-enzim ini mengatalisis berbagai reaksi, termasuk reaksi yang melibatkan

deaminasi, dehalogenasi, desulfurasi, epoksidasi, peroksigenasi dan reduksi. Reaksi yang

melibatkan hidrolisis (misalnya dikatalisis oleh esterase) dan reaksi lain yang tidak

dikatalisis oleh sitokrom P450 juga terjadi pada fase-1.

Pada manusia, diperkirakan terdapat sekitar 60 gen sitokrom P450. Reaksi yang

dikatalisis oleh mono-oksigenase (sitokrom P450) adalah sebagai berikut :

RH di atas mewakili beragam xenobiotik termasuk obat, karsinogen, pestisida, produk

petroleum, dan polutan (misalnya campuran PCB). Selain itu, senyawa endogen, seperti

steroid, eikosanoid, asam lemak, dan retinoid juga merupakan substrat. Substrat biasanya

lipofilik dan diubah menjadi hidrofilik melalui reaksi hidroksilasi. Sitokrom P450,

dikenal sebagai biokatalis yang paling serba-guna.

Isoform Sitokrom P450 Membentuk Superfamili Enzim Yang Mengandung Heme :

(1) Karena besarnya jumlah isoform yang telah ditemukan (sekitar 150), diperlukan

adanya sistem nomenklatur yang sistematis untuk isoform P450 dan gen-nya. Tata nama

ini telah tersedia dan digunakan secara luas serta berdasarkan homologi struktural.

Sigkatan CYP menunjukkan sitokrom P450. Sistem nomenklatur yang dipergunakan

adalah : CYP(famili)(subfamili). Contohnya, CYP1A1 menandakan suatu sitokrom

P450 yang merupakan anggota family 1 dan subfamily A, serta anggota pertama dari

subfamily A.

(2) Seperti hemoglobin, sitokrom P450 adalah hemeprotein.

(3) Enzim ini tersebar luas pada beragam spesies, termasuk bakteri.

(4) Terdapat dalam jumlah banyak di sel hati dan enterosit meskipun diperkirakan ada

pada seluruh jaringan. Pada hati dan jaringan lainnya, sitokrom P450 terutama terdapat di

membran retikulum endoplasama halus, yang membentuk sebagian dari fraksi

mikrosomal jika jaringan mengalami fraksional subselular. Di sistem mikrosomal hati,

sitokrom P450 tersusun atas 20% dari total protein. Di kelenjar adrenal, ditemukan di

mitokondria, selain pada retikulum endoplasma; beragam enzim hidroksilase yang ada

dalam organ ini memiliki peran dalam biosintesis kolesterol dan steroid. Sistem

mitokondrial sitokrom P450 berbeda dari sistem mikrosomal dihati, yaitu menggunakan

flavoprotein terkait NADPH, adrenodoxin reduktase dan suatu protein sulfur-besi- non-

heme. Sebagai tambahan, isoform P450 terlibat dalam biosintesis kolesterol umumnya

lebih terbatas dalam hal spesifisitas substratnya.

(5) Terdapat aling tidak enam sitokrom P450 di dalam retikulum endoplasma hati

manusia. Masing-masing memiliki spesifisitas substrat yang luas dan agak tumpang

tindih serta bekerja baik pada senyawa endogen maupun xenobiotik.

(6) NADPH, bukan NADH berperan dalam mekanisme reaksi sitokrom P450. Enzim

yang menggunakan NADPH untuk menghasilkan sitokrom P450 tereduksi (reaksi di

atas), disebut NADPH-sitokrom P450 reduktase. Electron dipindahkan dari NADPH ke

NADPH-sitokrom P450 reduktase dan kemudian ke sitokrom P450. Hal ini menyebabkan

aktivasi reduktif oksigen molecular dan satu atom oksigen kemudian disisipkan ke dalam

substrat.

(7) Lipid juga merupakan komponen sistem sistem sitokrom P450. Lipid yang disukai

adalah fosfatidilkolin, merupaka lipid utama pada membran retikulum endoplasma.

(8) Kebanyakan bentuk sitokrom P450 juga dapat diinduksi, contohnya pemberian

fenobarbital atau obat lain menyebabkan hipertrofi reticulum endoplasma halus dan

peningkatan jumlah sitokrom 3-4 kali lipat dalam waktu 4-5 hari. Mekanisme induksi

telah dipelajari secara khusus dan meluas dan pada banyak kebanyakan kasus dapat

meningkatkan jumlah sitokrom P450 dalam 4-5 hari. Induksi sitokrom P450 memiliki

peranan penting dalam pemahaman akan interaksi obat. Sebagai gambaran, adalah ketika

pasien mengkonsumsi antikoagulan warfarin untuk mencegah terjadinya pembekuan

darah. Obat ini dimetabolisme oleh CYP2C9. Jika pada saat yang bersamaan, pasien

tersebut juga mengkonsumsi fenobarbital, tetapi dosis warfarin tidak diubah. Maka

kurang lebih dalam 5 hari terjadi peningkatan CYP2C9 di dalam hati dan akibatnya dosis

obat menjadi tidak cukup. Sehingga dosis harus ditingkatkan agar warfarin tetap efektif.

Hal ini tentunya akan menjadi permasalahan di kemudian hari saat fenobarbital tiba-tiba

dihentikan. Pasien akan berada pada resiko perdarahan mengingat bahwa warfarin dosis

tinggi tersebut akan lebih aktif bila dibandingkan dengan kondisi sebelumnya, sebab bila

konsumsi fenobarbital diturunkan maka level CYP2C9 akan menurun segera. Contoh

lainnya adalah induksi enzim CYP2E1, yang diinduksi oleh konsumsi etanol. Hal ini

menjadi perhatian ketika P450 juga memetabolisme zat-zat yang dikenal sebagai

karsinogen. Sehingga jika aktivitas CYP2E1 meningkat akibat induksi menjadikan

peningkatan resiko karsinogen sebagai akibat paparan terhadap zat tersebut.

Table 4–2. Human Liver P450s (CYPs), and Some of the Drugs Metabolized (Substrates), Inducers, and Selective Inhibitors.

CYP Substrates Inducers Inhibitors1A2 Acetaminophen, antipyrine, caffeine,

clomipramine, phenacetin, tacrine, tamoxifen, theophylline, warfarin

Smoking, charcoal-broiled foods, cruciferous vegetables, omeprazole

Galangin, furafylline, fluvoxamine

2A6 Coumarin, tobacco nitrosamines, nicotine (to cotinine and 2'-hydroxynicotine)

Rifampin, phenobarbital

Tranylcypromine, menthofuran, methoxsalen

2B6 Artemisinin, bupropion, S-mephobarbital, cyclophosphamide, S-mephenytoin (N-demethylation to nirvanol), propofol, selegiline, sertraline

Phenobarbital, cyclophosphamide

Ticlopidine, clopidogrel

2C8 Taxol, all-trans-retinoic acid  Rifampin, barbiturates Trimethoprim

2C9 Celecoxib, flurbiprofen, hexobarbital, ibuprofen, losartan, phenytoin, tolbutamide, trimethadione, sulfaphenazole, S-warfarin, ticrynafen

Barbiturates, rifampin Tienilic acid, sulfaphenazole

2C18 Tolbutamide Phenobarbital  

2C19 Diazepam, S-mephenytoin, naproxen, nirvanol, omeprazole, propranolol

Barbiturates, rifampin N3-benzylnirvanol, N3-benzylphenobarbital, fluconazole

2D6 Bufuralol, bupranolol, clomipramine, clozapine, codeine, debrisoquin, dextromethorphan, encainide, flecainide, fluoxetine, guanoxan, haloperidol, hydrocodone, 4-methoxy-amphetamine, metoprolol, mexiletine, oxycodone, paroxetine, phenformin, propafenone, propoxyphene, risperidone, selegiline (deprenyl), sparteine, thioridazine, timolol, tricyclic antidepressants

St. John's wort, rifampin

Quinidine, paroxetine

2E1 Acetaminophen, chlorzoxazone, enflurane, halothane, ethanol (a minor pathway)

Ethanol, isoniazid 4-Methylpyrazole, disulfiram

3A41

 Acetaminophen, alfentanil, amiodarone, astemizole, cisapride, cocaine, cortisol, cyclosporine, dapsone, diazepam, dihydroergotamine, dihydropyridines, diltiazem, erythromycin, ethinyl estradiol, gestodene, indinavir, lidocaine, lovastatin, macrolides, methadone, miconazole, midazolam, mifepristone (RU 486), nifedipine, paclitaxel, progesterone, quinidine, rapamycin, ritonavir, saquinavir, spironolactone, sulfamethoxazole, sufentanil, tacrolimus, tamoxifen, terfenadine, testosterone, tetrahydrocannabinol, triazolam, troleandomycin, verapamil

Barbiturates, carbamazepine, glucocorticoids, macrolide antibiotics, pioglitazone, phe

2. Fase 2, senyawa yang telah terhidroksilasi atau diproses dengan cara lain pada fase-1

kemudian diubah dengan enzim yang spesifik menjadi berbagai metabolit polar oleh

konjugasi terhadap asam glukuronat, sulfat, asetat, glutation, atau asam amino tertentu,

atau oleh metilasi. Terdapat lima reaksi pada fase dua, yaitu :

a. Glukuronidasi

UDP-asam glukuronat adalah donor glukuronosil, dikatalisis oleh enzim

glucuronosyltransferase yang terdapat dalam retikulum endoplasma dan sitosol.

Substratya seperti molekul 2- acetylaminofluorene (karsinogen), anilin, benzoat asam,

meprobamate (obat penenang), fenol, dan steroid.

b. Sulfasi

Substratnya seperti alcohol, arilamin, dan fenol. Sebagai donor sulfat dalam reaksi ini

adalah Adenosin 3’-fosfat-5’-fosfosulfat (PAPS) disebut sulfat aktif.

c. Konjugasi dengan Glutation (γ-glutamil-sisteinilglisin)

Glutation merupakan tripeptida yang terdiri dari asam glutamate, sistein, dan glisin.

Glutation disingkat GSH. Substratnya biasanya xenobiotik elektrofilik yang

berpotensi toksik seperti karsinogen. Substrat ini akan dikonjugasi dengan glutation.

Konjugasi ini dikatalisis oleh enzim glutation S-transferase, terdapat dalm jumlah

banyak di sitosol hati dan jumlah sedikit di jaringan lain.

d. Asetilasi

Substratnya seperti obat isoniazid, digunakan untuk mengobati penyakit tuberculosis

yang akan mengalami asetilasi. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim asetiltransferase

terdapat dalam sitosol berbagai jaringan, terutama di hati.

X + Asetil-KoA X + Asetil-KoA

Asetil transferase

X: reaksi xenobiotik

e. Metilasi

Sebagai donor metal adalah S-adenosilmetionin. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim

metiltransferase.

Table 4–3. Phase II Reactions.

Type of Conjugation

Endogenous Reactant

Transferase (Location)

Types of Substrates

Examples

Glucuronidation  UDP glucuronic acid

UDP glucuronosyl-transferase (microsomes)

Phenols, alcohols, carboxylic acids, hydroxylamines, sulfonamides

Nitrophenol, morphine, acetaminophen, diazepam, N-hydroxydapsone, sulfathiazole, meprobamate, digitoxin, digoxin

Acetylation  Acetyl-CoA N- Amines Sulfonamides,

Acetyltransferase (cytosol) 

isoniazid, clonazepam, dapsone, mescaline

Glutathione conjugation 

Glutathione (GSH)

GSH-S-transferase (cytosol, microsomes) 

Epoxides, arene oxides, nitro groups, hydroxylamines

Acetminphen, ethacrynic acid, bromobenzene

Glycine conjugation 

Glycine Acyl-CoA glycinetransferase (mitochondria)

Acyl-CoA derivatives of carboxylic acids

Salicylic acid, benzoic acid, nicotinic acid, cinnamic acid, cholic acid, deoxycholic acid

Sulfation  Phosphoadenosyl phosphosulfate

Sulfotransferase (cytosol)

Phenols, alcohols, aromatic amines

Estrone, aniline, phenol, 3-hydroxy-coumarin, acetaminophen, methyldopa

Methylation  S-Adenosyl-methionine

Transmethylases (cytosol)

Catecholamines, phenols, amines

Dopamine, epinephrine, pyridine, histamine, thiouracil

Water conjugation 

Water Epoxide hydrolase (microsomes)

Arene oxides, cis-disubstituted and monosubstituted oxiranes 

Benzopyrene 7,8-epoxide, styrene 1,2-oxide, carbamazepine epoxide

(cytosol) Alkene oxides, fatty acid epoxides

Leukotriene A4

 

Katzung, B. G. 2010. Farmakologi Dasar & Klinik. Edisi 10. Jakarta: EGC.