Aspek Kimia Metabolisme

1. AspekKimia Metabolisme Pokok Bahasan: • Reaksi obat (oksidasi, reduksi, hidrolisis, nonmetabolisme). • Konjugasi, jalur utama konjugasi. • Metabolisme enzimatis obat. • Faktor yang mempengaruhi metabolisme obat. • Mekanisme induksi enzim pemetabolisme obat. • Modifikasi metabolisme dan respon obat karena faktor genetik.

3. 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.

4. Klasifikasi Metabolisme Fase 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.

5. 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

6. 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.

7. Reaksi Fase I Kategori: • Oksidasi • Reduksi • Hidrolisis

8. 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.

9. 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.

11. Oksidasi oleh P450 yang utama : • Hidroksilasi karbon alifatik jenuh. • Hidroksilasi karbon sp3 teraktivasi (dekat dengan inti sp2 atau sp) • Epoksidasi alkena • Hidroksilasi aromatik • Oksigenasi-N • Oksigenasi-S

12. 1.1. Hidroksilasi karbon alifatik jenuh • Umumnya gugus alkil tak teraktivasi mengalami oksidasi-ω(pada ujung gugus metil) atau oksidasi-ω-1 (pada C penultimat) • oksidasi-ωumumnya hanya pada rantai panjang • oksidasi-ω dan -ω-1 terjadi pada rantai yg lebih pendek • Untuk sistem siklik alifatis, hidroksilasi biasanya terjadi pada C yang kurang terlindungi atau lebih teraktivasi

13. 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-α relatif terhadap heteroatom (N, O, S)

14. 1.2. Hidroksilasi karbon sp3 teraktivasi

15. 1.2. Hidroksilasi karbon sp3 teraktivasi • Hidroksilasi-αpada amina menghasilkan hidroksi-amina yang segera terhidrolisa menjadi aldehid atau keton. • Pada amina primer hasilnya adalah deaminasi oksidatif.

16. 1.2. Hidroksilasi karbon sp3 teraktivasi • Hidroksilasi-αpada 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 N-demetilasi oksidatif. • N-demetilasi Oksidatif juga bisa terjadi pada N-metilamida.

17. 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.

18. 1.3. Epoksidasi alkena • Alkena dioksidasi oleh Cyp P450 menjadi epoksida reaktif. Sayangnya metabolit reaktif ini dapat berfungsi sebagai senyawa pengalkilasi !

19. 1.3. Epoksidasi alkena • Hepatokarsinogen aflatoksin B1, setelah mengalami epoksidasi, metabolitnya terikat secara kovalen pada DNA seluler (N-7 dari residu guanin DNA)

20. 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.

21. 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

22. 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.

23. Pergeseran-NIH Spesi 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).

24. 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-α (deaminasi oksidatif)

25. 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)

26. 1.5. Oksigenasi N

27. Klas substrat untuk FMO

28. 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, N-metilaza (piperidin) dan heterosiklik aromatik aza (piridin).

29. 1.5. Oksigenasi N

30. 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

31. Amina 1o

32. 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.

33. N-benzilamfetamin

34. Nikotin

35. 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.

36. 1.5. Oksigenasi N Ex: urethane dan N-asetilaminofluoren, keduanya sangat karsinogen begitu dikonversi menjadi hidroksilamida. Toksisitas fenasetin juga disebabkan metabolit hidroksilasi-N.

37. Ringkasan reaksi amina dan amida

38. Ringkasan reaksi amina dan amida

39. Ringkasan reaksi amina dan amida

40. 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.

41. 1.5. Oksigenasi S • Desulfurasi mengkonversi ikatan rangkap C=S menjadi C=O • Oksidasi-S menjadi sulfoksida dikatalisis oleh FMO dan P450.

42. 2. Reaksi Reduksi Proses 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.

43. 2.1. Reduksi pada C • Pusat reduksi pada C adalah : reduksi karbonil, keton α,β-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

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

45. 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

46. 2.1. Reduksi Nitro

47. 2.1. Reduksi Nitro

48. 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.

49. 2.1. Reduksi Azo

50. 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.