BIOTRANSFORMASI (METABOLISME)

Bahan Pembelajaran: Mata Kuliah Toksikologi
Sub Pokok Bahasan: Biotransformasi
Biotransformasi
„ Reaksi biokimia yang terlibat dalam
BIOTRANSFORMASI
(METABOLISME)
proses perubahan xenobiotika menjadi
turunan yang lebih nonpolar dengan
tujuan xenobiotika lebih mudah
dieleminasi dari dalam tubuh organisme
oleh
I M.A. GELGEL WIRASUTA
1
2
Biotransformasi
Biotransformasi
„ Diharapkan dari proses reaksi biokimia
tersebut terjadi penurunan atau
menghilangan efek toksik dari tokson
„ Sehingga pada awalnya sederetan proses
reaksi biokimia ini dikenal dengan istilah
detoksifikasi
AKTIVASI EFEK TOKSIK
XENO
BIOTIKA
BIO
TRANS
FORMASI
METBOLIT
INAKTIVASI EFEK TOKSIK
(DETOKSIFIKASI)
3
Biotransformasi:
Transformasi biokimia yang dialami oleh xenobiotika
Biotransformasi:
Transformasi biokimia yang dialami oleh xenobiotika
TAHAPAN REAKSI BIOTRANSFORMASI
TAHAPAN REAKSI BIOTRANSFORMASI
Reaksi Fase I
Oksidasi
Reduksi
Hidrolisis
Reaksi Fase I
Reaksi Fase II
Oksidasi
Reduksi
Hidrolisis
Konjugasi dengan:
- asam glukoronat
- sulfat
- asetat
- glutation
Reaksi Fase I disebut juga dengan reaksi fungsionalisasi, dinama
melalui reaksi-reaksi pada fase ini terjadi pemasukan gugus
fungsional :
- OH, -NH2, -SH, -COOH
Jika cukup polar maka akan dapat tereksresi langsung,
5
Reaksi Fase II
Metabolit Fase II
Metabolit Fase I
Xenobiotika
Metabolit Fase II
Metabolit Fase I
Xenobiotika
4
Konjugasi dengan:
- asam glukoronat
- sulfat
- asetat
- glutation
Reaksi Fase II disebut juga dengan reaksi konjugasi , dinama gugus
fungsi yang terbentuk akan dikopel oleh senyawa endogen dengan
bantuan enzim-enzim tertentu,
Dengan penambahan konjugat endogen akan meningkat kepolaran
dari xenobiotika sehingga akan lebih mudah dapat diekskresi
melalui ginjal
6
1
Bahan Pembelajaran: Mata Kuliah Toksikologi
Sub Pokok Bahasan: Biotransformasi
Jenis reaksi dan enzim yang terlibat pada metabolisme xenobiotika
TEMPAT DAN SISTEM ENZIM
Reaksi Fase I
Oksidasi:
P450 monooksigenasi
Xantin oksidase
Peroksidase
Amin oksidase
Monoamin oksidase
Semicarbamat seneitif amin oksidase
Reduksi:
P450 monooksigenase
Ketoreduktase
Glutation peroksidase
Hidrasi:
Eposid hidrolase
Ester hidrolisis:
Karboksilesterasis
Amidasis
Dehidrogenesis
Alkohol dehidrogenesis
Aldehid dehidrogenesis
Superokside dismutase
„ Sisten ezim yg terlibat umumnya bersifat nonspesifik
(monooksigenase, glukuronidase, esterase, amidase, sulfoterase)
„ Enzim ini terikat pada membran dari retikulum endoplasmik
(enzim fase I) dan sitosol (enzim fase II)
Biotransformasi umumnya berlangsung di hati,
dan sebagian kecil di organ-organ lain seperti:
ginjal, paru-paru, saluran pencernaan, kelenjar susu,
otot, kulit atau di darah
Reaksi Fase II
Glukuronosiltransferase
Sulfotransferase
Glutatuin S-transferase
Tioltransferase
Amid sitesis (tranasilase)
Metilasi
O-metiltransferase
N-metiltransferase
S-metiltransferase
Asetilasi
N-Asetilstransferase
Asetiltransferase
Tiosulfat
Sulfurtransferase (rhodanase)
7
8
Reaksi oksidasi (sistem monooksigenase yang tergantung pada CYP450)
Reaksi Fase I (Fase Fungsionalisasi)
Tahap 1: pengikatan RH
pada bentuk teroksidasi
(feri) dari CYP450
R-OH
„ Reaksi Oksidasi
Fe3+
„ Reaksi reduksi
Fe3+
IOI
„ Biohidrolisis
R-H
Fe3+
OH
.
R
RH
H2O
Tahap 2: Reduksi elektron
pertama dri RH terikat
(feri) dari CYP450
terhadap bentuk ferro
F e 3+
NADPH + H+
NADPH + H+
RH
Fp
CYP b5
e
e
Tahap 3: pengitanan
oksigen pada ferro biner
CYP450
Fe 2+
+ 2 H*
RH
Fe3+
O2
O22RH
Fe3+
Fe2+
O2-
O2
RH
RH
9
Hidroksilasi alifatik
2.
Hidroksilasi Aromatik
3.
Epoksidasi
4.
N-Dealkilasi
5.
O-Dealkilasi
6.
S-Dealkilasi
7.
Deaminasi
8.
Sulfoxidasi
9.
N-Oksidasi
10
Sistem monooksigenase yang tergantung pada Sitokrom450 mengkatalisis reaksi seperti berikut:
Sistem monooksigenase yang tergantung pada Sitokrom450 mengkatalisis reaksi seperti berikut:
1.
Tahap 4,5,6: penyusunan
kembali elektron,
pengenalan elektron
kedua, penyisipan
oksigenberikutnya, dan
pelepasan produk
1.
Hidroksilasi alifatik
10. Oksidasi dehalogenasi
11. Desulfurasi
11
12
2
Bahan Pembelajaran: Mata Kuliah Toksikologi
Sub Pokok Bahasan: Biotransformasi
Sistem monooksigenase yang tergantung pada Sitokrom450 mengkatalisis reaksi seperti berikut:
Sistem monooksigenase yang tergantung pada Sitokrom450 mengkatalisis reaksi seperti berikut:
2. Hidroksilasi Aromatik
3. Epoksidasi
13
Sistem monooksigenase yang tergantung pada Sitokrom450 mengkatalisis reaksi seperti berikut:
14
Sistem monooksigenase yang tergantung pada Sitokrom450 mengkatalisis reaksi seperti berikut:
7. Deaminasi
4. N-Dealkilasi
5. O-Dealkilasi
8. Sulfoxidasi (S-oksidasi)
6. S-Dealkilasi
15
Sistem monooksigenase yang tergantung pada Sitokrom450 mengkatalisis reaksi seperti berikut:
16
Hetorogenitas Isoenzim dan Spesifitas
9. N-Oksidasi
„ CYP simbul dari sitokrom P450
famili CYP1, CYP2 dan CYP3, dst
sub famili ditandai dengan huruf kapitel
CYP1A
„ berikutnya subfamili ditambahkan numer untuk
mengidentifikasi gene (CYP1A1)
„
„
10. Oksidasi dehalogenasi
11. Alkohol: Oksidatif membentuk aldehid
17
18
3
Bahan Pembelajaran: Mata Kuliah Toksikologi
Sub Pokok Bahasan: Biotransformasi
Tabel 1: Bentuk-bentuk CYP-450 dan spesifisitas substratnya*
Sitokrom-450
Substrat
CYP1A1
CYP1A2
PAH, arilamin, fenacetin, kafein, benzo(a)piren, aflatoksin B,
heterisiklik amin
CYP2A1
7a-testosteron
CYP2A2
15a-testosteron
CYP2A6
Dietilnitrosamin
CYP2B1
Resorufin
CYP2B2
Cocain
CYP2C
Etotoin, heksobarbital, metosuksimid
CYP2C9
Naproksen
CYP2D6
Debrisoquin, spartain, kodein, propanolol
CYP2E1
Umumnya senyawa bermolekul kecil, etanol, benzol, stirol, CCl4, dll
CYP3A
Eritromizin, midazolam
CYP3A4
Nefedifin, etiletradiol, progesteron, aflatoksin, dan banyak lagi
substrat yang lain
CYP3A2
Fluokinolon
CYP4A1
Asam-asam lemak
Reaksi oksidasi lain:
„
„
„
„
CYP4A2
Flavinmonooksigenase (merubah amin sekunder menjadi hidroksilamin dan
amin tersier menjadi N-oksida)
Alkoholdehidrogenase, khususnya mendehidrasi etanol menjadi aldehid.
Aldehid oksidase, merubah aldehid menjadi asam karboksilat
Monoaminoksidas, mengoksidasi amin-biogen (seperti: Catekolamin)
19
20
* dikutip dari SCHMOLD (2003)
Reaksi Reduksi
Reaksi Biohidrolisis
Reaksi-reaksi biohidrolisis yang penting adalah:
„ Mempunyai peran minor dibandingkan reaksi oksidasi
„ Banyak melibatkkan enzim-enzim NADPH-CYP-450-reduktase.
„ Pemutusan ester atau amida menjadi asam karboksilat dan alkohol
(atau amin) melalui esterase atau amidase.
„ Perubahan epoksida menjadi vicinalen diol melalui enzim
epoksidihidratase
„ Hidrolisis dari acetylen (glikosida) melalui enzim glikosidase.
21
22
REAKSI FASE II
TAHAPAN REAKSI BIOTRANSFORMASI
Reaksi Fase I
Metabolit Fase II
Metabolit Fase I
Xenobiotika
Oksidasi
Reduksi
Hidrolisis
23
Reaksi Fase II
Konjugasi dengan:
- asam glukoronat
- sulfat
- asetat
- glutation
Reaksi Fase II disebut juga dengan reaksi konjugasi , dinama gugus
fungsi yang terbentuk akan dikopel oleh senyawa endogen dengan
bantuan enzim-enzim tertentu,
Dengan penambahan konjugat endogen akan meningkat kepolaran
dari xenobiotika sehingga akan lebih mudah dapat diekskresi
melalui ginjal
24
4
Bahan Pembelajaran: Mata Kuliah Toksikologi
Sub Pokok Bahasan: Biotransformasi
REAKSI FASE II
REAKSI FASE II
Reaksi-reaksi penting pada fase II adalah
kunjugasi dengan :
Reaksi fase II melibatkan beberapa senyawa
endogen untuk membentuk konjugat xenobiotika
atau metabolitnya.
Pembentukan konjugat memerlukan adanya
pusat-pusat reaktif dari substrat, biasanya gugus
-OH, -NH2 dan -COOH.
teraktivasi asam glukuronat,
teraktivasi sulfat,
„ asam amino (khususnya glisin),
„ oligopeptida dan ikatan dengan turunan asam
merkapturat,
„ teraktivasi asam asetat,
„ metilasi.
„
„
25
Kunjugasi Glukuronidasi
26
Kunjugasi Glukuronidasi
O-Glukuronida
Sintesa UDP-Asam Glukuronat
Terbentuk dari:
Glikogen
Glukosa-I-P
- fenol-fenol,
UDP-glukosa + PPi
+ UTP
- alkohol-alkohol,
NAD +
- asam-asam karboksilat membentuk ester
UDP-glukosa
dihidrogenase
glukuronida
NADH + H+
UDP-O
COOH
O
OH
OH
OH
Asam-uridin-5'-difosfo-α-D-glukuronat (UDPGA)
27
Kunjugasi Glukuronidasi
28
Kunjugasi Glukuronidasi
O-Glukuronida
N-Glukuronida
OH
Terbentuk dari:
O
amina (terutama aromatik), amida, dan sulfonamida
N
OH
Morphin
Gol II
UDP-O
COOH
O
OH
OH
H2N
SO2
NH2
OH
UDP-O
UDP
OH
O
N
O
O
OH
Morphin-6-Glucuronid
COOH
Kosubstrat dari reaksi ini adalah Asamuridin-5’-difosfo-α-D-glukuronat
(UDPGA).
Enzim yang mengkatalisi reaksi
konjugasi ini adalah UDP-glukuroniltransferase (UGT).
29
OH
OH
OH
UDP
HO
HO
OH
OH
COOH
O
HO
O
COOH
N
H
SO2
H
N
O
OH
COOH
OH
OH
30
5
Bahan Pembelajaran: Mata Kuliah Toksikologi
Sub Pokok Bahasan: Biotransformasi
Kunjugasi Glukuronidasi
Kunjugasi Glukuronidasi
Aktivasi toksisitas xenobiotika melalui glukuronidasi
S-Glukuronida
Asam glukuronida
Terbentuk dari:
N
H
gugus tiol
C2H5
pH < 7
H
pH > 7
OH2+
N
H
-H2O
C2H5
N CS CS N
S S
C2H5
OH
N
pH < 7
+H2O
C2H5
UDP-O
+
COOH
OH
O
OH
N
H
Ion Arylnitrenium
OH
UDP
O
C2H5
N CS
C2H5
S
Ion elektrofilik arynitrenium dapat bereaksi
dengan pusat nukliofilik makromelekul pada
epiteliul kantung kemih, khususnya DNA,
COOH
OH
OH
OH
Konjugasi Sulfat
H
R
+
X
H2
O S O P O C
O Adenin
O
O
O
xenobiotika
O
P OH
O
O
sulfotra
f
32
Konjugasi Sulfat
O
O
menginisiasi pembentukan tomor
31
R X SO3-
+
H2
O P OC
O Adenin
O
O
O P OH
O
PAPS
Isoenzim
Substrat
tempat
Fenol sulfotransferase
Isoprenalin
Hati, ginjal, usus
Alkohol sulfotransferase
Dimetronidazol
Hati
Steroid sulfotransferase
Estron
Hati
Arilamin sulfotransferase
Parasetamol
hati
PAP
Koenzimnya adalah PAPS (3’-fosfoadenosin-5’-fosfosulfat).
Konjugasi ini adalah untuk gugus fungsional: fenol, alkohol alifatik dan amin
aromatik.
33
Metilasi
Konjugasi Sulfat
HO
OH
H
N CH
3
C
H CH
3
HO
„ Reaksi-reaksi metilasi terutama meliputi metabolisme
H
N CH
3
C
H
CH3
OH
HO
senyawa endogen
HSO3
„ Metilasi oleh metiltransferase non spesifik pada obat
isoprenalin
ditemukan di paru-paru
O
O
HSO3
HO
Asetilasi
estron (steroid)
H3COC
NH
OH
34
H3COC
N
„ Reaksi-reaksi asetilasi terjadi pada senyawa amin
SO3H
aromatik dan sulfonamidase membentuk kofaktor,
asetil-CoA
OH
parasetamol
35
36
6
Bahan Pembelajaran: Mata Kuliah Toksikologi
Sub Pokok Bahasan: Biotransformasi
Konjugasi Glutation
Konjugasi Glutation
R e a k s i d e n g a n C a r b o n e l e k t r o f il ik
r e a k s i p e n g g a n ti a n d e n g a n c a r a m e le p a s k a n g u g u s h a l id a , s u l fa t , s u lf o n a t, f o s fa t d a n n i tr o
A)
„ Glutation dikenal
d a r i a t o m c a r b o n je n u h a ta u h e te r o a to m
O
O
sebagai alat proteksi
dalam tubuh untuk
menghilangkan
xenobiotika elektrofilik
toksik yang potensial,
yang terbentuk selama
proses biotransformasi
N O2
SG
glisin (gly)
CH2
NH
O
HC C
H
NH 2
SH
N
N
O
O
sistein (cys)
B)
r e a k s i p e m b u k a a n c i n c i n t e r tu tu p s e p e r ti e p o k s id a , d a n 4 - " m e m b e r e d " la k to n
CH2
asamγ-glutamik (glu)
NH2+
O
O
GS
O
37
r e a k s i p e n e m p e l a n G S p a d a ik a ta n g a n d a y a n g te r a k t iv a s i
H2C
H
C
O
OR
Konjugasi Glutation
GSH
RO
O
SG
+
NO2-
GSH
+
ROOH
S
CN
GSH
R
S
GSSG
SG
+
„
CN+
GSH
RSH
+
„
GSSG
„
Menyerang gugus oksigen elektrofilik
GSH
ROOH
ROH
+
C
H2
H2
C
O
OR
38
Jelaskan sejelas-jalasnya dengan contoh terhadap
faktor-faktor yang mempengaruhi metabolisme
xenobiotika.
Menyerang gugus sulfur elektrofilik
R
SG
TUGAS
Menyerang gugus nitrogen elektrofilik
NO2
OH
O
C)
O
SG
CH2
O
RO
OH
O
O
„
GSH
[GSOH]
H2O
+
„
GSSG
„
39
Induksi enzim,
Inhibisi enzim,
Faktor Genetik,
Penyakit,
Umur, dan
Faktor lingkungan
40
7