Aspek Kimia MetabolismePokok Bahasan:1. Reaksi obat (oksidasi, reduksi, hidrolisis, nonmetabolisme). 2. Konjugasi, jalur utama konjugasi. 3. Metabolisme enzimatis obat. 4. Faktor yang mempengaruhi metabolisme obat. 5. Mekanisme induksi enzim pemetabolisme obat. 6. Modifikasi metabolisme dan respon obat karena faktor genetik.

Metabolisme Obat Tujuan metabolisme : untuk mengubah senyawa asing (xenobiotik) menjadi turunan larut air yang segera dapat dieliminasi melalui rute renal. Beberapa metabolit volatil kecil (CO2, CH3NH2, tiol, tioeter) bisa dieliminasi via paru-paru. Metabolisme xenobiotik secara umum terjadi dalam 2 langkah : fase I dan fase II.

Klasifikasi MetabolismeFase I: reaksi fungsionalisasi gugus polar baru dimasukkan atau dibentuk melalui reaksi oksidasi, reduksi atau hidrolisis. Fase II: menggabungkan solubilizing moeities (asam glukoronat, asam amino atau asam sulfat) pada obat asli (jika punya gugus polar) atau pada metabolit fase I.Metabolisme fase I bisa terjadi sebelum atau setelah fase II. Metabolit fase I bisa diekskresikan tanpa mengalami fase II.

Xenobiotik yang tidak atau hampir tidak termetabolisme: Senyawa yang sangat hidrofilik tidak bisa berpenetrasi menembus membran untuk mencapai kompartemen intraseluler. Senyawa yang sangat lipofilik, senyawa terpolihalogenasi (DDT, insektisida) secara steriks sangat terlindung dari serangan metabolisme

Metabolisme Obat Secara umum hasil biotansformasi fase I dan II adalah inaktivasi dan detoksikasi xenobiotik. Beberapa metabolit fase I bisa mempunyai aktivitas yang sama atau berbeda dengan senyawa induk pertimbangan desain prodrug. Metabolisme juga bisa menghasilkan metabolit toksik umumnya berasl dari xenobiotik non-terapeutik (polutan, bahan kimia). Ex.: insektisida parathion diubah menjadi paraoxon, inhibitor poten asetilkolinesterase.

Reaksi Fase IKategori:1. Oksidasi 2. Reduksi 3. Hidrolisis

1. Reaksi Oksidasi Sitokrom P450 (Cyp P450) merupakan monooksigenase mikrosomal utama dan terpenting (Mikrosom merupakan vesicle kecil yang diperoleh bila jaringan hati dihomogenkan atau reticulum endoplasma diputuskan). Cyp P450 terdiri dari isoenzim yang mengkatalisis reaksi serupa pada substrat yang berbeda. Cyp P450 terutama berada di hati, merupakan protein heme yang bila direduksi atau dipapar dengan CO memberikan serapan kuat pada 450 nm.

1. Reaksi Oksidasi Oksidasi xenobiotik melibatkan pemutusan reduktif oksigen (O2) molekular menghasilkan transfer 1 atom O pada substrat, dan menghasilkan 1 molekul H2O. Proses ini membutuhkan 2 elektron yang ditransfer melalui NADPH Cyp P450 reduktase.

Oksidasi oleh P450 yang utama :1. Hidroksilasi karbon alifatik jenuh. 2. Hidroksilasi karbon sp3 teraktivasi (dekat dengan inti sp2 atau sp)

3. 4. 5. 6.

Epoksidasi alkena Hidroksilasi aromatik Oksigenasi-N Oksigenasi-S

1.1. Hidroksilasi karbon alifatik jenuh

Umumnya gugus alkil tak teraktivasi mengalami oksidasi(pada ujung gugus metil) atau oksidasi- -1 (pada C penultimat) oksidasi- umumnya hanya pada rantai panjang oksidasi- dan - -1 terjadi pada rantai yg lebih pendek Untuk sistem siklik alifatis, hidroksilasi biasanya terjadi pada C yang kurang terlindungi atau lebih teraktivasi

1.2. Hidroksilasi karbon sp3 teraktivasi Umumnya terjadi pada benzilik, alilik atau propinilik dan dengan keberadaan C sp3. (Recall Kimia Organik: Reaktivitas C benzilik dan alilik terhadap reaksi tertentu seperti brominasi). Hal ini dapat terjadi pada C di posisi- relatif terhadap heteroatom (N, O, S)

1.2. Hidroksilasi karbon sp3 teraktivasi

1.2. Hidroksilasi karbon sp3 teraktivasi Hidroksilasi- pada amina menghasilkan hidroksi-amina yang segera terhidrolisa menjadi aldehid atau keton. Pada amina primer hasilnya adalah deaminasi oksidatif.

1.2. Hidroksilasi karbon sp3 teraktivasi

Hidroksilasi- pada N tidak menghasilkan deaminasi (kehilangan N) tapi bisa menghasilkan dealkilasi. Dealkilasi sering terjadi bila gugus alkil yang terdealkilasi adalah metil, dan aminanya tersier disebut juga Ndemetilasi oksidatif.

N-demetilasi Oksidatif juga bisa terjadi pada N-metilamida.

1.2. Hidroksilasi karbon sp3 teraktivasi Eter aromatik juga terhidroksilasi menjadi hemiasetal, yang segera terhidrolisis menjadi fenol dan aldehid.

Dehalogenasi oksidatif terjadi pada senyawa alifatis terklorinasi atau terbrominasi. Metabolisme melalui hidroksilasi-eliminasi serupa menghasilkan HCl, HBr atau senyawa karbonil.

1.3. Epoksidasi alkena Alkena dioksidasi oleh Cyp P450 menjadi epoksida reaktif. Sayangnya metabolit reaktif ini dapat berfungsi sebagai senyawa pengalkilasi !

1.3. Epoksidasi alkena Hepatokarsinogen aflatoksin B1, setelah mengalami epoksidasi, metabolitnya terikat secara kovalen pada DNA seluler (N-7 dari residu guanin DNA)

1.4. Hidroksilasi Aromatik Cincin aromatik biasanya dioksidasi menjadi fenol, diikuti konjugasi kemudian diekskresi. Hidroksilasi umumnya terjadi pada daerah yang kurang terlindungi, biasanya pada posisi para.

1.4. Hidroksilasi Aromatik Obat dengan 2 cincin aromatik biasanya, hidroksilasi terjadi pada cincin yang lebih kaya elektron.

(Cl merupakan deactivating pada Substitusi Elektrofilik) Obat dengan cincin aromatis miskin elektron tidak mengalami hidroksilasi

Pergeseran-NIH Selama hidroksilasi cincin aromatis, penataulangan intramolekuler terjadi yang merupakan hasil mekanisme oksidatif (via oxida arena). Pertama kali ditemukan di National Institute of Health (NIH) ketika mengidentifikasi metabolit utama dari 4[3H]-fenilalanin adalah 3-[3H]-para tirosin.

Pergeseran-NIHSpesi Fe-oxo pada heme teraktivasi masuk ke dalam cincin aromatis menghasilkan intermediat tetrahedral yang kemudian ditata ulang melalui epoksida atau keton menjadi fenol (cincin terhidroksilasi).

1.5. Oksigenasi N Metabolisme senyawa mengandung atom N: kompleks. Oksigenasi atom N diklasifikasikan berdasar kelas: amida, amina 3o, amina 2o dan amina 1o. Amina basa (pKa 8-11) oleh Flavin-containing MonoOxygenase (FMO) Senyawa N nonbasa (amida) oleh CyP450 Senyawa N dgn kebasaan intermediat (ex: amin aromatis) dioksigenasi oleh kedua enzim. Tapi P450 tdk mengkatalisis reaksi oksigenasi-N yang terjadi pada proton- (deaminasi oksidatif)

1.5. Oksigenasi N FMO penting untuk oksigenasi xenobiotik (terutama heteroatom N, S). Satu atom O disatukan dari oksigen molekular ke dalam substrat. Diduga hidroperoksida flavin merupakan intermediat dalam proses ini. Mekanismenya melibatkan serangan nukleofilik oleh substrat ke oksigen-distal dari hidroperoksida flavin . Jadi substrat xenobiotik untuk FMO umumnya nukeofil (amina, thiol,sulfida)

1.5. Oksigenasi N

Klas substrat untuk FMO

1.5. Oksigenasi N Amin 3o umumnya dioksidasi menjadi oksida-N walaupun reaksi sangat dipengaruhi efek sterik. Jadi substrat utam adalah senyawa N,N-dimetilamino, Nmetilaza (piperidin) dan heterosiklik aromatik aza (piridin).

1.5. Oksigenasi N

1.5. Oksigenasi N Amin 2o dan 1o umumnya dioksidasi-N menjadi hidoksilamin. Intermediat untuk proses ini adalah oksida-N. Amina 1o dapat mengalami oksidasi lebih lanjut menjadi senyawa oksim dan nitro. Amin 2o umumnya dioksidasi menjadi hidoksilamin, tapi segera mengalami oksidasi lebih lanjut menjadi nitron. Contoh: metabolisme fenfluramin

Amina 1o

Amina 2o

Obat (xenobiotik) jarang mengalami jalur metabolisme tunggal. Beberapa jalur metabolisme dapat berkompetisi untuk men-detoksikasi dan memungkinkan ekskresi suatu senyawa. Ex: N-benzilamfetamin & nikotin.

N-benzilamfetamin

Nikotin

1.5. Oksigenasi N Amida mungkin dioksidasi-N menjadi hidoksilamida. Pada amida aromatis (seperti halnya pada amina aromatis 1o dan 2o), saat gugus hidroksil dimasukkan menghasilkan spesi elektrofil yang memungkinkan serangan nukleofilik oleh nukleofil selular.

1.5. Oksigenasi NEx: urethane dan N-asetilaminofluoren, keduanya sangat karsinogen begitu dikonversi menjadi hidroksilamida. Toksisitas fenasetin juga disebabkan metabolit hidroksilasi-N.

Ringkasan reaksi amina dan amida

Ringkasan reaksi amina dan amida

Ringkasan reaksi amina dan amida

1.5. Oksigenasi S Ada 3 jalur biotransformasi senyawa dengan atom S: S-dealkilasi oksidatif, Desulfurasi dan Oksidasi-S. S-dealkilasi oksidatif bukan jalur utama, tapi bisa terjadi.

1.5. Oksigenasi S Desulfurasi mengkonversi ikatan rangkap C=S menjadi C=O

Oksidasi-S menjadi sulfoksida dikatalisis oleh FMO dan P450.

2. Reaksi ReduksiProses oksidasi merupakan jalur metabolisme utama, tapi reaksi reduksi juga penting, terutama untuk pembentukan gugus hidroksil atau amino yang mengubah obat menjadi metabolit yang lebih polar,serta persiapan untuk konjugasi fase II.

2.1. Reduksi pada C Pusat reduksi pada C adalah : reduksi karbonil, keton , tak jenuh, dan kuinon. Reduksi karbonil dikatalisis oleh aldo-keto reduktase yang membutuhkan NADPH atau kofaktor NADH. Keton direduksi menjadi alkohol, tapi aldehid jarang. Ex: Naltrexon (utk terapi adiksi narkotik) direduksi menjadi alkohol

Reduktase atau dehidrogenase dapat bekerja secara stereoselektif dan stereospesifik. Ex.: reduksi antikoagulan warfarin selektif untuk enantiomer (R)-(+) dan stereospesifik untuk pembentukan (R,S)-warfarin alkohol.

Reduksi keton , -tak jenuh menghasilkan alkohol jenuh dengan reduksi pada C=C maupun C=O. Harus diperhatikan bahwa reduksi C=O keton bersifat stereospesifik.

2.1. Reduksi Nitro Gugus nitro aromatis dapat direduksi menjadi amina melalui proses bertahap, dengan tahap penentu laju eliminasi adalah reduksi pada gugus nitro menjadi nitroso. Enzim utama yang mengkatalisis reduksi gugus nitro menjadi amina adalah : 1. CyP450 dengan adanya NADPH (O2 menghambat reaksi ini). 2. flavin-dependent NADPH-CyP450 reductase Enzim lain: bacterial nitro reductase (di GI tract), xanthine oxidase, aldehyde oxidase dan quinone reductase

2.1. Reduksi Nitro

2.1. Reduksi Nitro

2.1. Reduksi Azo Reduksi azo serupa dengan reduksi nitro, dan juga dikatalisis oleh CyP450 dan NADPH -CyP450 reductase O2 juga menghambat reaksi tahap pertama yaitu reduksi menjadi radikal anion superoksida (pembentukan radikal anion azo) Bakteri di saluran cerna juga mengkatalisis reduksi ini.

2.1. Reduksi Azo

3. Reaksi Hidrolisis Hidrolisis xenobiotik ester dan amida menghasilkan asam karboksilat, alkohol dan amina. Beberapa metabolit merupakan substrat untuk fase II (konjugasi dan ekskresi). Berbagai esterase nonspesifik ditemukan di plasma, hati, ginjal dan intestinal (kapasitas hidrolisis terbesar di hati, saluran cerna dan darah). Enzim hidrolisis paling penting adalah karboksilesterase, arilesterase, kolinesterase dan serin endopeptidase. Beberapa esterase secara preferensial menghidrolisis ester alifatik, sementara ester lain lebih spesifik untuk ester aromatis.

3. Reaksi Hidrolisis

3. Reaksi Hidrolisis Amida umumnya dihidrolisis lebih lambat dari ester. Ex: hidrolis prokain lebih cepat dibanding prokainamida.

Ester (bukan amida) propanidid dihidrolisis secara selektif.

Hidrolisis bisa terjadi secara stereoselektif.EX: Kedua enantiomer prilokain punya efek anestesi lokal. Hanya isomer-(R) yang dihidrolisis menjadi toluidin, yg menyebabkan efek samping toksik. Isomer (S) tidak dihidrolisis shg tidak menyebabkan efek toksik.

Fensuksimid dimetabolisme N-demetilasi diikuti hidrolisis stereoselektif.

Reaksi Fase II (Konjugasi) Reaksi fase II umumnya melibatkan penggabungan (konjugasi) molekul endogen polar kecil pada obat atau metabolit fase I metabolit larut air yang siap diekskresi via urin atau empedu. Konjugat umum meliputi : asam glukuronat, sulfat dan asam amino. Reaksi konjugasi dgn glutation berfungsi untuk memadamkan senyawa yg sangat elektrofil sebelum mereka memodifikasi secara kovalen, dan selanjutnya merusak makromolekul biologis (protein, DNA, RNA)

Reaksi Fase II (Konjugasi) Beberapa reaksi fase II (metilasi dan asetilasi) tidak menghasilkan metabolit polar tapi lebih untk menghentikan aktivitas biologi. Reaksi konjugasi biasanya terjadi terhadap gugus nukelofil pada obat, seperti alkohol, asam karboksilat, amina (termasuk amina heterosiklik) dan tiol. Jika gugus ini tidak ada pada sebuah obat, biasanya obat tsb mengalami reaksi fase I terlebih dulu. -OH, -COOH, -NH2, -NR2, -SH

Gugus pengkonjugasi merupakan molekul endogen yang mulanya diaktivasi dlm bentuk koenzim utk ditranfer ke obat. Enzim yg mengkatalisis reaksi ini disebut transferase.

MetilasiMetilasi merupakan komponen minor untuk metabolisme xenobiotik, tp penting untuk biosintesis senyawa endogenseperti epinefrin dan melatonim. Metilasi (seperti juga asetilasi) justru menghasilkan metabolit dgn hidrofilisitas lebih rendah. Perkecualian utk metilasi N tersier atau tipe piridin, menghasilkan gugus bermuatan, yaitu garam amonium kuarterner.

Metilasi Metilasi merupakan proses 2 tahap: koenzim Sadenosilmetionin (SAM) dibiosintesis dari metionin, kemudian SAM mentransfer gugus metil teraktivasi pada molekul akseptor (nukelofil: alkohol, amin, tiol) dgn dikatalisis metiltransferase. Transfer ini dikatalisis oleh berbagai transferase, tergantung sifat molekul akseptor (katekol O-metiltransferase, fenol Ometiltransferase, feniletanolamin N-metiltransferase, nonspesifik amin N-metiltransferase, dan tiol S-metiltransferase)

O-metilasi terjadi terutama terhadap katekol pada posisi meta

N-metilasi jarang tapi bisa terjadi. N heterosiklik juga kandidat utk metilasi.

S-metilasi terjadi pada gugus sulfhidril aromatik dan alifatik. Metabolit yg terbentuk dioksidasi menjadi sulfoksida atau sulfon (fase I)

Asetilasi Asetilasi menghasilkan metabolit kurang hidrofil (ex.: amina dikonversi menjadi amida), konsekuensinya : deaktivasi obat atau metabolit fase I (jika aktif). Asetilasi melibatkan 2 tahap: asetil-CoA mengasetilasi asam amino sisi aktif N-asetiltansferase. Gugus asetil kemudian ditransfer ke susbtrat asam amino

AsetilasiCilastin (inhibitor poten dehidropeptidase I, yg cepat menghidrolisis antibakteri imipenem), mencegah metabolisme renal imipenem bila keduanya digunakan bersama.

Asetilasi lain dimediasi oleh berbagai asetiltransferase

Konjugasi asam amino Terjadi pada berbagai asam karboksilat menghasilkan pembentukan ikatan amida pada asam amino (biasanya glisin atau glutamin) Asam amino spesifik yang dikonjugasikan tergantung bioavailabilitas asam amino tsb dari sumber diet endogen Asam amino konjugat utama pada mamalia adalah glisin

Mekanisme konjugasi asam amino (3 tahap)1. Aktivasi asam karboksilat oleh ATP mejadi ester AMP 2. Konversi ester AMP menjadi koenzim A thioester 3. Kopling termediasi N-asetiltransferase koenzim A dgn asam amino

Glukuronidasi : bisa stereoselektif atau stereospesifikTahapan: 1. Kopling (termediase fosforilase) dari -D-glukose 1posfat ke UTP menghasilkan UDP glukose 2. Oksidasi UDP glukose menjadi ko-enzim UDP-asam glukuronat 3. Konjugasi substrat (termediasi UDP-glukuronil transferase) pada asam glukuronat

Glukuronidasi :

Glukuronidasi :Baik gugus hidroksil (3 OH) maupun asam karboksilat berperan penting meningkatkan solubilitas dalam air dari konjugat glukuronida shg memfasilitas ekskresi via empedu atau urin

4 kelompok Glukuronidasi :O-glukuronidasi hidroksil (alkohol, fenol) asam karboksilat N-glukuronidasi amina amida sulfonamida S-glukuronidasi thiol Asam dithioat C-glukuronidasi 1,3-dikarbonil

O-Glukuronidasi :

N-Glukuronidasi :

S- dan C- Glukuronidasi :

Konjugasi Sulfat:Jarang terjadi dibandingkan glukuronidasi, karena rendahnya bioavailabilitas sulfat anorganik dalam mamalia. Substrat utama adalah fenol, bisa juga alkohol alifatik dan amina.

Mekanisme konjugasi sulfat1. Aktivasi sulfat anorganik oleh ATP-sulfurilase mejadi adenosin-5 -posfat (APS) 2. Posforilasi APS menjadi koenzim 3 -posfoadenosin 5 posfosulfat (PAPS) 3. Konjugase (termediasi-sulfotransferase) dengan substrat

Konjugasi Glutation:

Glutation (GSH) merupakan tripeptida yang ditemukan di hampir semua jaringan mamalia Konjugasi GSH terjadi sitoplasma, terutama di sel hati dan ginjal dimana kadar GSH 5-10mM Glutation mempunyai gugus thiol nukleofil poten Fungsi utama konjugasi GSH utk meredam senyawa eletrofil berbahaya, baik xenobiotik maupun metabolitnya,

Konjugasi Glutation:

Konjugasi dimediasi glutation transferase (GST), tp konjugasi pada elektrofil yg lebih reaktif bisa terjadi secara nonenzimatis. Konjugasi GSH berbeda dari reaksi fase II umumnya karena subjeknya adalah elektrofil (bukan nukleofil) Elektrofil yg bisa berkonjugasi dgn GSH adalah gugus yang bisa mengalami tipe reaksi berikut: - SN2 (alkil halida, epoksida) dan SNAr (aril halida) - asilasi (anhidrida, ester sulfonat) - adisi Michael (sistem , -tak jenuh) - reduksi (disulfida, radikal) Konjugat GSH jarang diekskresikan via urin, tp mengalami bitransformasi lebih lanjut (fase III konjugasi Nasetilsistenin atau konjugasi asam merkapturat)

Konjugasi Glutation: (deaktivasi)

Konjugasi Glutation: Adisi MichaelMorfin mengalami 2 jalur oksidasi menghasilkan akseptor Michael konjugasi GSH: Jalur a: dimediasi oleh morfin 6 dehidrognease morfionin Jalur b: dikatalisis oleh Cyp450 quinone methida

4. Faktor yang mempengaruhi metabolisme 1. 2. 3. 4. Faktor genetik Faktor fisiologis Faktor farmakodinamik Faktor lingkungan

4.1. Faktor genetik Perbedaan individual efek obat (sensitivitas dan resistensi obat), interaksi dan toksisitas obat bisa dipengaruhi oleh ras atau karakteristik etnis karena terjadi perbedaan gen polimorfik dan ekspresi enzim pemetabolisme. Contoh: etnik Jepang & Cina (Asia) lebih sensitif thd etanol dibandingkan Caucasian (~20% vs ~3%).

4.2. Faktor Fisiologi Usia merupakan salah satu faktor fisiologis yg mempengaruhi metabolisme, terlalu muda atau terlalu tua dapat menyebabkan kegagalan metabolisme. Hormon, jenis kelamin, kehamilan, perubahan mikroflora intestinal, penyakit (terutama penyakit hati), dan status nutrisi juga mempengaruhi metabolisme. Faktor yg menentukan perbedaan metabolisme pada penyakit hati adalah: tingkat keparahan penyakit, aliran darah ke hati, & jenis obat.

4.3. Faktor Farmakodinamika Usia merupakan salah satu faktor fisiologis yg mempengaruhi metabolisme, terlalu muda atau terlalu tua dapat menyebabkan kegagalan metabolisme. Hormon, jenis kelamin, kehamilan, perubahan mikroflora intestinal, penyakit (terutama penyakit hati), dan status nutrisi juga mempengaruhi metabolisme. Faktor yg menentukan perbedaan metabolisme pada penyakit hati adalah: tingkat keparahan penyakit, aliran darah ke hati, & jenis obat.

4.4. Faktor Lingkungan Senyawa dari lingkungan (karbon monoksida, pestisida) dapat berkompetisi dgn obat atau xenobiotik untuk enzim pemetabolisme. Selain itu senyawa dari lingkungan dapat juga menginduksi ekspresi enzim pemetabolisme (jumlah molekul enzim meningkat, laju tetap).

Induksi dan Inhibisi Enzim PemetabolismePenurunan kadar & aktivitas enzim

?Peningkatan kadar & aktivitas enzim

?

Induksi dan Inhibisi Enzim PemetabolismeEnzim A Metabolit A Inaktif Metabolit B Aktif Metabolit C Toksik Metabolit D Tidak terdeteksi

Enzim B

OBATEnzim C

Enzim D

Induksi dan Inhibisi Enzim PemetabolismeEnzim A Metabolit A Inaktif Metabolit B Aktif Metabolit C Toksik Metabolit D Tidak terdeteksi

Enzim B

OBATEnzim C

Enzim D

Induksi dan Inhibisi Enzim PemetabolismeEnzim A Metabolit A Inaktif Metabolit B Aktif Metabolit C Toksik Metabolit D Terdeteksi

Enzim B

OBATEnzim C

Enzim D