Hubungan perubahan struktur dengan aktivitas pada proses metabolisme obat*

MetabolismeMETABOLISMEAktivitas biologis, masa kerja, toksisitas obat.Studi Metabolisme1.Menilai/menaksir efikasi dan keamanan obat 2.Merancang pengaturan dosis3.Menaksir kemungkinan terjadinya resiko atau bahaya dari zat pengotor4.Mengevaluasi toksisitas bahan kimia5.Mengembangkan bahan tambahan makanan, pestisida dan herbisida mengetahui proses metabolismenya pada manusia, hewan dan tanaman6.Dasar penjelasan terjadinya proses toksik karsinogenik, teratogenik dan nekrosis jaringan.*

Dua jalur respon biologis suatu obat:1.Obat aktif setelah masuk ke peredaran darah, langsung berinteraksi dengan reseptor dan menimbulkan respon biologis.2.Pra-obat setelah masuk ke peredaran darah mengalami proses metabolisme menjadi obat aktif, berinteraksi dengan reseptor dan menimbulkan respon biologis (bioaktivasi).*

*

tempat utama metabolisme obatTempat Metabolisme ObatHati organ tubuhkarena mengandung lebih banyak enzim metabolisme dibanding organ lain.Setelah pemberian oral, obat diserap oleh saluran cerna, masuk ke peredaran darah dan kemudian ke hati.Aliran darah yang membawa obat atau senyawa organik asing melewati sel-sel hati secara perlahan-lahan dan termetabolisis menjadi senyawa yang mudah larut dalam air kemudian diekskresikan melalui urinHati menghasilkan cairan empedu yang diekskresikan ke duodenum melalui saluran empedu. Cairan empedu berfungsi membantu pencernaan lemak dan sebagai media untuk ekskresi metabolit beberapa obat yang melalui tinja.*

*

Proses metabolisme obat karena adanya flora bakteri normal di usus halus dan usus besar memetabolisis obat dengan cara kerja yang sama dengan enzim-enzim mikrosom hati.Usus peran pentingMembran RE selMetabolisme obat di hatiAda dua tipe retikulum endoplasma sel:1.Tipe 1 permukaan membran kasar, terdiri dari ribosom yang tersusun secara kasar.2.Tipe 2 permukaan mambran halus, tidak mengandung ribosom. Sejumlah konjugat glukuronida dikeluarkan oleh empedu ke usus. Di usus konjugat ini terhidrolisis oleh enzim -glukuronidase menghasilkan obat bebas yang lipofil.*

Jalur Umum Metabolisme ObatReaksi metabolisme obat ada 2 tahap yaitu:1.Reaksi Fasa IHal ini dapat dicapai dengan:(= Reaksi fungsionalisasi : oksidasi, reduksi, hidrolisis)Tujuan :memasukkan gugus fungsional tertentu yang bersifat polar seperti OH, COOH, NH2 & SH ke struktur molekul senyawa.a.Secara langsung memasukkan gugus fungsionalContoh: hidroksilasi senyawa aromatik & alifatikb.Memodifikasi gugus-gugus fungsional yang ada dalam molekulContoh:1.Reduksi gugus keton atau aldehid menjadi alkohol2.Oksidasi alkohol menjadi asam karboksilat3.Hidrolisis ester & amida gugus COOH, OH & NH24.Reduksi senyawa azo & nitro gugus NH2

5.Dealkilasi oksidatif dari atom N, O & S gugus NH2, OH & SH

*

Meskipun reaksi fasa I kemungkinan tidak menghasilkan senyawa yang cukup hidrofil tetapi secara umum gugus fungsional yang mudah terkonjugasi atau mengalami reaksi fasa IIReaksi fasa I antara lain:a.Reaksi oksidasi1.Oksidasi gugus aromatik, ikatan rangkap, atom C benzilik & alilik, atom C dari gugus karbonil dan amin2.Oksidasi atom C alifatik & alisiklik3.Oksidasi sistem C-N, C-O & C-S4.Oksidasi alkohol & aldehid5.Reaksi oksidasi lain-lainb.Reaksi reduksi1.Reduksi aldehid & keton2.Reduksi senyawa azo & nitro3.Reaksi reduksi lain-lainc.Reaksi hidrolisis1.Hidrolisis ester & amida2.Hidrolisis epoksida & aren oksida*

Contoh Metabolisme Fase IOksidasi amidaMekanisme reaksiGugus amida mengalami hidroksilasi menjadi senyawa antara karbinolamid N-dealkilasiContoh :AsetaminofenObat analgetik yang pada dosis tunggal (normal) relatif aman & tidak toksik, tetapi pada dosis tinggi dapat menimbulkan nekrosis(Asetaminofen)N-hidroksiasetaminofen+ H2ON-asetilimidokuinonTerikat MM HatiNekrosisKonjugat Glutation*

2.Reaksi Fasa IIReaksi fasa II antara lain(= Reaksi konjugasi)Tujuan :mengikat gugus fungsional hasil metabolit reaksi fasa I dengan senyawa endogen yang mudah terionisasi & bersifat polar, seperti asam glukuronat, sulfat, glisin & glutamin konjugat yang mudah larut dalam air.a.Reaksi konjugasi1.Konjugasi asam glukuronatb.Reaksi asetilasiSenyawa induk yang sudah mengandung gugus fungsional seperti OH, COOH & NH2 secara langsung terkonjugasi oleh enzim pada fasa II.2.Konjugasi sulfat3.Konjugasi dengan glisin & glutamin4.Konjugasi dengan glutation atau asam merkapturatc.Reaksi metilasi*

Peranan Sitokrom P-450 dalam Metabolisme ObatSecara umum diketahui sebagian besar reaksi metabolik melibatkan proses oksidasiProses ini membutuhkan enzim sebagai kofaktor yaitu:1.Bentuk tereduksi NADPH & NADH2.Flavoprotein NADPH-sitokrom C reduktase3.Sitokrom B54.Feri heme-protein (feri sitokrom P-450)Substrat (RH) berkombinasi dengan O2 metabolit teroksidasi (ROH) & air berlangsung dengan bantuan sitokrom P-450Mekanisme reaksi:A : bentuk teroksidasi dari sitokrom P-450*

Enzim sitokrom P-450 adalah suatu heme-proteinDinamakan sitokrom P-450 karena bentuk tereduksi enzim yaitu (Fe++).RH membentuk kompleks dengan CO yang bila absorbansinya diamati dengan spektro mempunyai maks = 450 nmGambar pola siklik interaksi sitokrom P-450 dengan molekul substrat, donor elektron & oksigen*

*

Skema mekanisme siklik sitokrom P-450 diatas, dijelaskan sebagai berikut:Feri sitokrom P-450 (Fe+++). mengikat secara terpulihkan molekul substrat (RH), menghasilkan kompleks substrat-feri sitokrom P-450 [(Fe+++).RH]. Pengikatan ini analog dengan kompleks enzim-substrat.(Fe+++).RH kemudian tereduksi menjadi kompleks substrat-fero sitokrom P-450 [(Fe++).RH] oleh elektron dari NADPH, dan dipindahkan oleh flavoprotein (f.p2) NADPH-sitokrom C reduktase(Fe++).RH kemudian bereaksi dengan oksigen, membentuk kompleks dioksi sitokrom P-450 [(Fe++).(O2).RH](Fe++).(O2).RH dapat tereduksi oleh NADPH atau NADH, membentuk turunan peroksida dari ikatan substrat-heme-protein [(Fe+++)(O2=).RH]. Diduga bahwa pemberian elektron kedua ini terjadi melalui sitokrom B5.*

Kompleks (Fe+++).(O2=).RH kemungkinan mengalami protonasi dan terdisosiasi melepas anion superoksida (H2O2), atau mengalami penataulangan membentuk suatu turunan oksen (Fe+++).(O-).RH, bersamaan dengan pelepasan air, (Fe+++).(O-).RH disebut pula kompleks substrat-oksigen-P-450 yang teraktifkan, H2O2 yang dilepaskan diatas diduga dapat mengoksidasi kompleks feri-heme-protein-substrat [(Fe+++).RH].Kompleks (Fe+++).(O-).RH kemudian terurai membentuk substrat yang terhidroksilasi (ROH) dan feri-heme-protein (Fe+++).(Fe+++) akan mengikat molekul substrat (RH) lagi, menghasilkan kompleks substrat-feri sitokrom P-450 [(Fe+++).RH], yang kemudian tereduksi oleh elektron dari NADPH menjadi kompleks-fero sitokrom P-450 [(Fe++).RH] lagi. Demikian seterusnya sehingga merupakan suatu proses siklik.*

*

Tipe-tipe reaksi oksidasi oleh sitokrom P-450 dapat disederhanakan sebagai berikut:*

*

REAKSI METABOLISME FASA I1. Reaksi OksidasiBanyak senyawa obat mengalami proses metabolisme yang melibatkan reaksi oksidasi dengan bantuan sitokrom-P-450. Oksidasi senyawa aromatik (arena) akan menghasilkan metabolit arenol. Proses ini melalui pembentukan senyawa antara epoksida (arena oksida) yang segera mengalami penataulangan menjadi arenol.Banyak senyawa yang mengandung cincin aromatik, seperti fenobarbital, fenitoin, fenilbutazon, 17-etinilestradiol, propranolol, amfetamin dan fenformin, mengalami hidroksilasi pada posisi para.

*

*

Reaksi hidroksilasi ini (fasa I) dilanjutkan dengan reaksi konjugasi (fasa II), dengan asam glukuronat atau sulfat, membentuk konjugat polar dan mudah larut dalam air, kemudian diekskresikan melalui urin.Contoh : metabolit utama fenitoin adalah konjugat O-glukuronida dari parahidroksifenitoin

*

*

Kadang-kadang hasil metabolit merupakan senyawa yang lebih aktif dibanding senyawa semula.contoh : fenilbutazon mengalami hidroksilasi pada posisi para, menghasilkan Oksifenbutazon yang aktif sebagai antiradang.

*

a. Oksidasi Ikatan Rangkap Alifatik (Olefin)Oksidasi metabolik ikatan rangkap akan menghasilkan epoksida yang lebih stabil dibanding arena oksida. Contoh : karbamazepin, dimetabolisis menjadi karbamazepin-10,11-epoksida yang stabil dan berkhasiat sebagai antikejang. Selanjutnya, karbamazepin-10,11-epoksida mengalami hidrasi oleh enzim epoksida hidrase, membentuk trans-10,11-dihidroksikarbamazepin. *

b. Oksidasi Atom C-Benzilik

Atom C yang terikat cincin aromatik pada posisi benzilik, dapat mengalami metabolik oksidatif menjadi alkohol. Metabolit alkohol primer teroksidasi lebih lanjut menjadi aldehida dan asam karboksilat, sedang metabolit alkohol mekunder teroksidasi menjadi keton. Alternatif lain, metabolit alkohol secara langsung berkonjugasi dengan asam glukuronat.

*

c. Oksidasi Atom C-Alilik

*

*1-THC mempunyai tiga pusat atom C-alilik. Hidroksilasi alilik lebih banyak terjadi pada C7, menghasilkan 7-hidroksi-1-THC yang aktivitasnya lebih besar dibanding 1-THC. Hidroksilasi alilik juga terjadi pada C6, walaupun kecil, menghasilkan epimer 6 dan 6-hidroksi-1-THC. Metabolisme tidak terjadi pada C3 karena ada pengaruh halangan ruang Senyawa yang juga mengalami hidroksilasi alilik antara lain adalah kuinidin, heksobarbital dan pentazosin.

d. Oksidasi Atom C-Karbonil dan Imin

Diazepam dan flurazepam, suatu turunan benzodiazepin, teroksidasi pada atom C-imin, menghasilkan metabolit 3-hidroksidiazepam dan kemudian mengalami N-demetilasi menjadi oksazepam, yang aktif sebagai penekan sistem saraf pusat

*

e. Oksidasi Atom C Alifatik dan Alisiklik

Metabolik oksidatif dari pusat C alifatik dapat terjadi pada gugus metil ujung (oksidasi ) menghasilkan alkohol primer, atau pada pusat C sebelum gugus ujung (oksidasi -1) menghasilkan alkohol sekunder. Metabolit alkohol primer teroksidasi lebih lanjut menjadi aldehida dan asam karboksilat, sedang alkohol sekunder teroksidasi lebih lanjut menjadi keton.Metabolit alkohol kadang-kadang dapat secara langsung berkonjugasi dengan asam glukuronat

*

*

2. Reaksi ReduksiProses reduksi mempunyai peran penting pada metabolisme senyawa yang mengandung gugus karbonil (aldehida dan keton), nitro dan azo. Senyawa yang mengandung gugus karbonil mengalami reduksi menjadi turunan alkohol, sedang gugus nitro dan azo tereduksi menjadi turunan amin. Gugus alkohol dan amin hasil reduksi akan terkonjugasi, menghasilkan senyawa hidrofil yang mudah diekskresikan sehingga proses reduksi juga memberikan fasilitas untuk terjadinya eliminasi obat.*

a. Reduksi Gugus Karbonil (Aldehida dan Keton)Gugus aldehida dapat tereduksi menjadi alkohol primer, sedang gugus keton tereduksi menjadi alkohol sekunder. Metabolit alkohol sekunder kemungkinan bersifat stereoisomer.Metabolit-metabolit alkohol tersebut mudah terkonjugasi dengan asam glukuronat. Reaksi reduksi ini terjadi dengan bantuan enzim oksidoreduktase.

*

Kortison, tereduksi menjadi kortisol (hidrokortison), yang aktif sebagai antiradang.Kortison dan kortisol mempunyai 3 jalur utama metabolisme yaitu :1.Reduksi ikatan rangkap C4-5 menjadi 5-pregnan.2.Reduksi gugus karbonil 3-on menjadi 3-ol.3.Reduksi gugus karbonil 20-on menjadi 20-ol.

*

b. Reduksi Gugus Nitro dan Azo

Senyawa aromatik yang mengandung gugus nitro, mula-mula tereduksi menjadi nitrozo dan senyawa antara hidroksilamin, yang segera tereduksi Iebih lanjut menjadi amin aromatik primer.

*

c. Reaksi Reduksi Lain-lain

Reduksi senyawa yang mengandung gugus disulfida, seperti disulfiram, akan memecah ikatan disulfida menghasilkan asam N,N-dietilditiokarbamat.

Reduksi senyawa yang mengandung gugus sulfoksida, seperti dimetilsulfoksida (DMSO), menghasilkan dimetilsulfida.*

3. Reaksi HidrolitikMetabolisme obat yang mengandung gugus ester atau amida dapat menghasilkan metabolit asam karboksilat, alkohol dan amin yang bersifat polar dan mudah terkonjugasi. Enzim mikrosom yang dapat menghidrolisis ester dan amida adalah amidase, esterase dan deasilase, yang terdapat dalam jaringan-jaringan hati, ginjal, usus dan plasma.Contoh klasik hidrolisis ester adalah perubahan metabolik asetosal menjadi asam salisilat dan asam asetat.

*

*

Reaksi Metabolit Fasa IIKonjugasiMetilasiAsetilasi*

1. Reaksi KonjugasiReaksi konjugasi obat atau senyawa organik asing dengan asam glukuronat, sulfat, glisin, glutamin dan glutation, dapat mengubah senyawa induk atau hasil metabolit fasa I menjadi metabolit yang lebih polar, mudah larut dalam air, bersifat tidak toksik dan tidak aktif, kemudian diekskresikan melalui ginjal atau empedu.Reaksi konjugasi lain : metilasi dan asetilasi. Reaksi ini secara umum tidak berfungsi untuk meningkatkan kelarutan senyawa dalam air tetapi terutama untuk membuat senyawa menjadi tidak aktif secara farmakologis.Konjugasi glutation dengan metabolit reaktif dapat mencegah kerusakan biomakromolekul seperti DNA, RNA dan protein sel. Reaksi konjugasi sering dianggap sebagai proses detoksifikasi.

*

a. Konjugasi Asam Glukuronatmerupakan cara konjugasi umum dalam proses metabolisme.Hampir semua obat mengalami proses konjugasi ini, oleh karena :Sejumlah besar gugus fungsional obat dapat berkombinasi secara enzimatik dengan asam glukuronat.Tersedianya D-asam glukuronat dalam jumlah yang cukup pada tubuh.D-Asam glukuronat mengandung gugus karboksilat dan hidroksil, dapat mengikat substrat, membentuk -glukuronida, dan secara drastis meningkatkan kelarutan substrat dalam air.

*

*

Pembentukan -glukuronida tersebut melalui dua tahap reaksi, yaitu :1) Sintesis asam uridin-5'-difosfo--D-glukuronat (UDPGA), suatu koenzim aktif.2) Pemindahan gugus glukuronil dari UDPGA ke substrat. Pemindahan ini dikatalisis oleh enzim mikrosom UDP-glukuronil transferase, yang terdapat pada hati dan jaringan lain seperti ginjal, usus, kulit, paru dan otak.

*

*

*

*

b. Konjugasi SulfatKonjugasi dengan sulfat terutama terjadi pada senyawa yang mengandung gugus fenol, dan kadang-kadang juga terjadi pada senyawa alkohol, amin aromatik dan senyawa N-hidroksi.Konjugasi sulfat pada umumnya untuk meningkatkan kelarutan senyawa dalam air dan membuat senyawa menjadi tidak toksik. Jumlah sulfat yang tersedia dalam tubuh agak terbatas jika dibandingkan asam glukuronat dan terutama digunakan untuk konjugasi beberapa senyawa endogen, seperti steroid, heparin, katekolamin dan tiroksin.

*

*

Proses konjugasi sulfat melalui dua tahap, yaitu:Aktivasi sulfat anorganik menjadi koenzim 3-fosfo-adenosin-5'-fosfosulfat (PAPS).Pemindahan gugus sulfat dari PAPS ke substrat. Pemindahan ini dikatalisis oleh enzim sulfotransferase yang terutama terdapat di hati, ginjal dan usus.

*

c. Konjugasi dengan Glisin atau GlutaminGlisin atau glutamin dapat berkonjugasi dengan substrat yang mengandung gugus asam karboksilat, terutama asam aromatik dan asam arilalkil. Jumlah konjugat asam amino relatif kecil karena terbatasnya ketersediaan asam amino tubuh dan adanya kompetisi dengan proses glukuronidasi. Berbeda dengan asam glukuronat dan sulfat,proses konjugasi ini asam amino tidak diubah menjadi koenzim aktif. Substrat diaktifkan oleh ATP dan koenzim A membentuk senyawa antara kompleks asil koenzim A, yang segera mengasilasi glisin atau glutamin. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim khas yaitu glisin atau glutamin N-asil-transferase. Proses pengaktifan dan asilasi ini terjadi di mitokondria sel hati dan ginjal. Konjugat asam amino bersifat polar, mudah larut dalam air dan diekskresikan melalui ginjal dan empedu. *

*

*

*d. Konjugasi dengan Glutation atau Asam Merkapturat Konjugasi glutation memegang peranan penting pada proses detoksifikasi senyawa elektrofil reaktif. Senyawa elektrofil reaktif dapat menimbulkan toksisitas, seperti kerusakan jaringan, karsinogenik, mutagenik dan teratogenik, karena membentuk ikatan kovalen dengan gugus-gugus nukleofil yang terdapat pada protein dan asam nukleat sel.Glutation (GSH) adalah tripeptida (y-glutamilsisteinilglisin) yang terdapat pada banyak jaringan, terutama di hati. GSH mengandung gugus nukleofil sulfhidril (SH), yang dapat bereaksi dengan senyawa elektrofil reaktif sehingga dapat melindungi jaringan sel yang penting. Gugus SH dari glutation dapat bereaksi dengan senyawa yang kekurangan elektron, membentuk glutation S-substitusi, yang dimetabolisis lebih lanjut menjadi turunan asam merkapturat. Proses ini melibatkan pemecahan enzimatik dua asam amino dari glutation S-substitusi, yaitu glisin dan asam glutamat, dan dikatalisis oleh enzim glutation S-transferase, yang terdapat pada sitoplasma hati dan ginjal. Turunan sistein S-substitusi yang dihasilkan kemudian mengalami Nasetilasi menjadi turunan asam merkapturat.

*

Untuk bereaksi dengan glutation, senyawa elektrofil dapat melalui salah satu dari dua mekanisme umum sebagai berikut :Pemindahan nukleofil pada atom C atau heteroatom lain yang kekurangan elektron, atau Adisi nukleofil pada ikatan rangkap yang kekurangan elektron.

*

Adisi nukleofil GSH dapat terjadi pada ikatan rangkap ,-tidak jenuh yang berkonjugasi dengan gugus karbonil. Reaksi ini disebut adisi Michael.

*

*

2. Reaksi Asetilasi

Asetilasi merupakan jalur metabolisme obat yang mengandung gugus amin primer, seperti amin aromatik primer (AR-NH2), sulfonamida (H2N-C6H4-S02- NH-R), hidrazin (-NH-NH2), hidrazid (-CONH-NH2) dan amin alifatik primer (RNH2). Hasil N-asetilasi tidak banyak meningkatkan kelarutan dalam air. Fungsi utama reaksi asetilasi adalah membuat senyawa menjadi tidak aktif dan untuk detoksifikasi. Kadang-kadang hasil N-asetilasi bersifat lebih aktif dibanding senyawa induknya, contoh : N-asetilprokainamid, atau bersifat lebih toksik, contoh: N-asetilisoniazid.Gugus asetil yang digunakan untuk reaksi asetilasi berasal dart asetil koenzim A dan reaksi ini dikatalisis oleh enzim N-asetil transferase yang terdapat pada sel retikulo endotel hati.

*

Turunan obat yang mengalami N-asetilasi antara lain adalah :Amin aromatik, contoh : anilin, asam para-aminobenzoat, asam paraaminosalisilat, prokainamid dan dapson.Sulfonamida, contoh : sulfanilamid, sulfametoksazol, sulfisoksazol, sulfapiridin dan sulfametazin.Hidrazin dan hidrazid, contoh : hidralazin, fenelzin dan isoniazid.Amin alifatik, contoh : histamin dan meskalin.

*

*

*

3. Reaksi Metilasi

Reaksi metilasi mempunyai peran penting pada proses biosintesis beberapa senyawa endogen, seperti norepinefrin, epinefrin dan histamin, serta untuk proses bioinaktivasi obat. Koenzim yang terlibat pada reaksi metilasi adalah Sadenosil-metionin (SAM). Reaksi ini dikatalisis oleh enzim-enzim motiltranaferase yang terdapat dalam sitoplasma dan mikrosom. *

*

Enzim metiltransferase : katekol-0- metiltransferase (COMT), fenil-O-metiltransferase, N-metiltransferase dan Smetiltransferase.Katekol-O-metiltransferase merupakan O-metilasi yang selektif terhadap gugus 1,2-dihidroksifenol (katekol) dan metilasi terjadi pada gugus hidroksil fenol posisi C3. Resorsinol (1,3-dihidroksibenzen) dan para-hidrokuinon (1,4- dihidroksibenzen) tidak dapat dikatalisis oleh enzim tersebut.Contoh : norepinefrin dan dopamin.S(-)-Metildopa, S(-)levo-dopa, isoproterenol, 2-hidroksi-17--etinilestradiol, fenitoin dan morfin mengalami reaksi metilasi melalui mekanisme serupa dengan norepinefrin atau dopamin.

*

Secara umum N-metilasi terjadi pada senyawa endogen, seperti histamin. Nmetilasi pada obat sangat terbatas.Contoh : amantadin, suatu obat antivirus dan anti-Parkinson, dan norefedrin.

*

*

*

Sekian dan Terima Kasih*

*