Metabolisme Xenobiotik

dr. Syazili Mustofa, M. Biomed

Dokter Ahli Biokimia dan Biologi Molekuler

Departemen Biokimia dan Biologi Molekuler

Fakultas kedokteran Universitas Lampung

Tujuan kuliah

• Mampu menjelaskan dua fase metabolisme xenobiotik yaitu: yang melibatkan reaksi hidroksilasi yang dikatalisasi oleh sitokrom P450 dan reaksi konjugasi.

• Mampu menjelaskan kepentingan metabolik dari glutation.

• Mampu menjelaskan bagaimana xenobiotik memiliki efek toksik, imunologik dan karsinogenik.

Kepentingan biomedis

• Tubuh kita terpapar banyak sekali komponen asing (xenobiotik, berasal dari bahasa yunani xenos = asing); yang secara alami terkandung dalam tanaman, ada pula bahan sintetis dari obat obatan, bahan makanan tambahan dan polutan di lingkungan.

• Xenobiotik penting untuk memahami farmakologi, terapetik, dan toksikologi.

• Banyak xenobiotik dalam tanaman yang berpotensi berefek menguntungkan misalnya antioksidan.

Kepentingan biomedis

• Memahami mekanisme yang terlibat dalam metabolisme xenobiotik akan memungkinkan pengembangan mikrorganisme dan tanaman transgenik yang mengandung gen yang mengkode enzim yang berguna mengubah polutan yang berpotensi membahayakan menjadi aman. Selain itu organisme transgeik juga berguna untuk biosintesis obat dan bahan kimia lainnya.

Tubuh kita mengolah banyak xenobiotik yang harus dimetabolisme terlebih dahulu sebelum dieksresikan

• Xenobiotik utama berupa obat, bahan kimia, karsinogen, bahan yang secara alami terkandung dalam tanaman dan berbagai jenis bahan yang terdapat dalam lingkungan seperti polychlorinated biphenyls (PCBs), insektisida dan lainnya.

• Kebanyakan bahan bahan ini dimetabolisme di hati. • Metabolisme xenobiotik umumnya disebut proses

detoksifikasi • Terkadang metabolit dari suatu bahan yang inert atau tak

berbahaya bersifat aktif secara biologi. Misalnya aktivasi dari prodrug menjadi bahan aktif, atau pembentukan karsinogen atau mutagen dari prekursor inert.

Dua fase metabolisme xenobiotik

• Fase 1, umumnya melibatkan reaksi yang disebut hidroksilasi. Reaksi ini dikatalisasi oleh berbagai monooksigenase, yang dikenal sebagai sitokrom P450. Untuk melakukan reaksi hidroksilasi, enzim enzim ini mengkatalisasi berbagai juga reaksi reaksi lainnya misalnya deaminasi, desulfurilasi, epoksidasi, peroksigenasi, dan reduksi. Selain itu proses hiroksilasi fase satu ini juga melibatkan reaksi hidrolisis dan reaksi reaksi yang dikatalisasi oleh enzim non-P-450. Metabolisme fase 1 menyebabkan bahan xenobiotik menjadi lebih reaktif.

• Pada fase 2, metabolit yang terhidroksilasi akan terkonjugasi dengan berbagai senyawa hidrofilik seperti asam glukuronat, sulfat, asetat atau glutation.

• Operasi gabungan dari dua fase ini mengubah senyawa lipofilik menjadi senyawa yang larut dalam air yang dapat diekskresikan dalam urin atau empedu.

Metabolisme Xenobiotik

xenobiotik

Obat: Parasetamol, Isoniazid, Cisplatin, Prokain.

Non obat: Alkohol, styrene, vinil clorida, CCl4

Metabolit intermedia

Misal: benzokuinon, imin, atau radikal bebas

Bahan larut air atau terikat protein

Fase 1

Reaksi Oksidasi atau reduksi enzim monooksigenase atau

sitokrom P450

Fase 2 Reaksi Konjugasi

Fase 2

Keluar melalui empedu Ikut aliran darah dieksresikan lewat ginjal

Syazili Mustofa, 2020

Fase 1

• Dalam beberapa kasus, reaksi metabolik fase 1 mengubah xenobiotik dari senyawa yang tidak aktif menjadi aktif secara biologis. Contohnya , xenobiotik awal disebut sebagai prodrug atau prokarsinogen.

• Kadang-kadang, reaksi fase 1 tambahan (misalnya, reaksi hidroksilasi lebih lanjut) mengubah xenobiotik berupa senyawa aktif menjadi bentuk yang kurang aktif atau tidak aktif sebelum konjugasi.

• Dalam kasus lain, itu adalah reaksi konjugasi yang mengubah produk aktif dari reaksi fase 1 menjadi senyawa tidak aktif, yang diekskresikan

Berbagai bentuk sitokrom P450 menghidroksilasi berbagai xenobiotik

pada fase 1 • Reaksi utama yang terlibat dalam metabolisme fase 1

adalah hidroksilasi, dikatalisis oleh keluarga enzim yang dikenal sebagai monooksigenase atau sitokrom P450.

• Setidaknya ada 57 gen sitokrom P450 dalam genom manusia. Sitokrom P450 adalah enzim heme.

• Dinamakan demikian karena awalnya ditemukan ketika dicatat bahwa preparasi mikrosom (fragmen retikulum endoplasma) yang telah tereduksi secara kimia dan kemudian terpapar karbon monoksida memiliki puncak penyerapan pada 450 nm.

sitokrom P450

• Setidaknya setengah dari obat-obatan yang biasa kita konsumsi dimetabolisme oleh isoform dari sitokrom P450. Enzim ini juga beraksi terhadap hormon steroid, karsinogen, dan polutan.

• Selain itu, sitokrom P450 penting dalam metabolisme sejumlah senyawa fisiologis, misalnya, sintesis hormon steroid dan konversi vitamin D menjadi metabolit aktifnya, kalsitriol.

• Sitokrom P450 umumnya terletak di retikulum endoplasma, terutama di sel hati.

• Banyak sitokrom P450 tidak dapat diinduksi. Ini memiliki implikasi penting untuk interaksi antar obat

Reaksi yang dikatalis sitokrom p-450

Sitokrom P450 mengkatalisasi reaksi yang mengintroduksikan satu atom oksigen yang berasal dari oksigen molekuler ke dalam substrat, menghasilkan produk terhidroksilasi, dan yang lainnya menjadi air. NADPH dan NADPH sitokrom P450 reduktase terlibat dalam mekanisme reaksi.

NADPH-sitokrom P450 reduktase mengkatalisis transfer elektron dari NADPH ke sitokrom P450. Reduksi sitokrom P450 mengkatalisasi aktivasi reduktif oksigen molekuler, satu atom di antaranya menjadi gugus hidroksil dalam substrat dan yang lainnya direduksi menjadi air. Sitokrom b5, hemoprotein lain yang ditemukan dalam membran retikulum endoplasma halus) mungkin terlibat sebagai donor elektron dalam beberapa kasus.

Metabolisme xenobiotik fase 2: Reaksi konjugasi

• Reaksi ini dikatalisis oleh enzim seperti glucuronyltransferases, sulfotransferases, dan glutathione S-transferases.

• Donor reaksi ini dapat berupa asam UDP-glukuronat, PAPS (sulfat aktif), atau glutation.

Glukuronidasi

• Reaksi ini adalah reaksi konjugasi paling sering.

• Reaksi ini dikatalisis oleh berbagai enzim glukuronosiltransferase, yang ada di retikulum endoplasma dan sitosol.

• Molekul seperti 2-asetilaminofluoren (karsinogen), anilin, asam benzoat, meprobamate (zat penenang), fenol, dan banyak hormon steroid diekskresikan sebagai glukuronida.

• Glukuronida dapat melekat pada kelompok oksigen, nitrogen, atau sulfur dari suatu substrat.

Glutation

• Tripeptida glutation (γ-glutamilsisteinilglisin) penting dalam metabolisme fase II senyawa elektrofilik,

• Reaksi konjugasi ini dikatalisis oleh enzim glutathione S-transferases

R + GSH → R − S − G • R adalah senyawa elektrofilik. • Hasil reaksi ini adalah glutation-S-konjugat yang

diekskresikan dalam urin dan empedu. • Glutathione tidak hanya memainkan peran penting

dalam reaksi fase 2 tetapi juga merupakan agen pereduksi intraseluler.

Enzim enzim Glutation S-transferase

• Enzim enzim glutation S-transferase juga mengikat sejumlah ligan yang bukan substrat, termasuk bilirubin, hormon steroid, dan beberapa karsinogen dan metabolitnya, sehingga kadang-kadang dikenal sebagai ligandin.

• Enzim-enzim ini mengikat bilirubin di tempat yang berbeda dari tempat katalitik, memindahkannya dari aliran darah ke hati, kemudian ke retikulum endoplasma untuk konjugasi dengan asam glukuronat, dan ekskresi dalam empedu.

• Enzim ini akan mengikat karsinogen, sehingga mencegah aksi karsinogen pada DNA.

Xenobiotik dapat menghasilkan efek toksisitas

• Ikatan kovalen dari metabolit xenobiotik ke makromolekul termasuk DNA, RNA, dan protein dapat menyebabkan cedera sel (sitotoksisitas), yang bisa cukup parah sehingga menyebabkan kematian sel.

• Karena terjadi kerusakan pada DNA, mekanisme perbaikan DNA sel diaktifkan. Mekanisme ini melibatkan transfer beberapa unit ADP-ribosa ke protein pengikat DNA, yang dikatalisis oleh poli (ADP-ribose polimerase).

• Sumber ADP-ribosa adalah NAD, dan sebagai respons terhadap kerusakan DNA yang parah menyebabkan penurunan NAD yang cukup besar. Pada gilirannya, ini menyebabkan penurunan besar pembentukan ATP, dan kematian sel.

Xenobiotik dapat menghasilkan berbagai efek reaksi imunologis

• Metabolit reaktif dari xenobiotik dapat berikatan dengan protein, dan bersifat sebagai hapten, dan mengubah antigenisitas protein tersebut.

• protein yang berubah antigenitasnya akan merangsang produksi antibodi.

• Antibodi yang dihasilkan tidak hanya bereaksi dengan protein yang dimodifikasi tetapi juga dapat bereaksi dengan protein yang tidak dimodifikasi, sehingga berpotensi memicu penyakit autoimun.

Xenobiotik dapat menghasilkan berbagai kanker.

• Reaksi beberapa xenobiotik teraktivasi dengan DNA penting dalam karsinogenesis kimia.

• Beberapa bahan kimia (misalnya benzo [α] pyrene) memerlukan aktivasi oleh sitokrom P450 dalam retikulum endoplasma untuk menjadi karsinogenik (karena itu disebut karsinogen tidak langsung).

• Aktivitas enzim metabolisme xenobiotik terdapat dalam retikulum endoplasma sehingga membantu untuk menentukan apakah senyawa tersebut menjadi karsinogenik atau "didetoksifikasi."

• Produk dari aksi sitokrom P450 pada beberapa substrat prokarsinogen adalah epoksida.

• Epoksida sangat reaktif dan mutagenik atau karsinogenik.

• Enzim epoksida hidrolase yang terdapat pada membran retikulum endoplasma dapat memiliki perlindungan terhadap beberapa karsinogen.

• Enzim hidrolase ini mengkatalisis hidrolisis epoksida menjadi dihidrodiol, zat yang kurang reaktif.