KERJA DAN EFEK TOKSIK

(1)

Sub Pokok Bahasan: Kerja Toksik

1

KERJA DAN EFEK

TOKSIK

I M.A. Gelgel Wirasuta

2 • Tujuan Instruksional Umum (TIU) (C2):

– Setelah mengikuti kuliah ini mahasiswa dapat menjelaskan fase kerja suatu tokson hingga menimbulkan efek toksik serta foktor-faktor yang berpengaruh.

• Tujuan Instruksional Khusus (TIK) (C2):

– dapat menjelaskan tahapan-tahapan proses yang terjadi pada fase kerja toksik dengan benar,

– dapat menggambarkan jalur eksposisi tokson pada organiseme dan proses eksposisi dengan benar,

– dapat memahami proses absorpsi, transpor, distribusi dan eliminasi tokson dengan benar,

– dapat menggambarkan proses interaksi tokson dan reseptor dengan benar,

– dapat menjelaskan mekaniseme kerja efek toksik dengan benar, – dapat menggambarkan dengan benar faktor-faktor farmseutika, biologis, serta lingkungan yang berpengaruh pada kerja toksik.

3

• Suatu kerja toksik pada umumnya

merupakan hasil dari sederetan proses

fisika, biokimia, dan biologik yang sangat

rumit dan komplek.

• Proses ini umumnya dikelompokkan ke

dalam tiga fase yaitu:

– fase eksposisi,

– fase toksokinetik, dan

– fase toksodinamik.

4

Kontak / Penggunaan

Bentuk farmaseutik hancur Zat aktif melarut

Fase eksposisi

zat aktif tersedia untuk di absorpsi (ketersidaan farmeseutika) Fase toksokinetik Absorpsi Distribusi Biotransformasi Eskresi Deposisi

zat aktif tersedia untuk memberikan efek (ketersidaan biologik)

Efek Farmakologis

Efek Klinis Efek Toksik

Fase toksodinamik terjadi interaksi tokson - reseptordalam organ efektor

Fase eksposisi

Kontak xenobiotika dengan organisme, (kecuali radioaktif), untuk menimbulkan efek toksik/ farmakologi

Fase farmaseutika:

- hancurnya bentuk sediaan obat, - kemudian zat aktif melarut,

- terdispersi molekular di tempat kontaknya. Zat aktif siap terabsorpsi menuju sistem sistemik

Fase ini sangat ditentukan oleh faktor-faktor farmseutika dari

Fase eksposisi

(2)

Sub Pokok Bahasan: Kerja Toksik

7

Fase eksposisi

Interaksi tokson-reseptor dalam organ efektor

Umumnya Interaksi reversibel →mengakibatkan perubahan fungsional, efek akan hilang apabila tokson tereliminasi dari tempat kerjanya

Interaksi ireversibel→contoh luka kimia

8

Fase eksposisi

• Terjadi kontak (pejanan/paparan)

organisme oleh toksikan, dapat melalui:

– kulit

– saluran pernafasan (inhalasi)

– saluran cerna (oral)

– injeksi (penyampaian xenobiotika langsung ke

dalam tubuh organisme)

9 Fase kerja eksposisi:

Toksikan

-sel kulit

-sel diding sal. pencernaan - sel epitel alveoli paru-paru Lapisan barier absorpsi

Kemampuan terabsorpsi ditentukan oleh: -sifat fisikokima toksikan

-bentuk fisik sediaan farmaseutik dan formulasi (padatan, semi solid larutan, gas)

-tempat pejanan (sifat membran dan aliran darah) -sifat dinding / barier absorpsi

Toksikan siap diabsorpsi menuju sistem peredaran darah (ketersediaan farmaseutika). 10 Fase kerja eksposisi:

Faktor Farmaseutika

Formulasi

- bentuk sediaan - bahan tambahan formulasi - parameter formulasi Sifat fisikokimia zat aktif

- bentuk kristal - kelarutan - konstanta disosiasi

Fase kerja eksposisi:

Diagram sistematis membran biologi.

protein integral protein periferal

lapisan lemak bimolekul

Bulatan menggambarkan kelompok kepala lipid (fosfatidilkolin), dan baris zig-zag menunjukkan bagian ekornya. Bulatan hitam, putih, dan berbintil menunjukkan jenis lipid yang berbeda. Benda-benda besar menggabarkan protein, yang sebagian terletak di permukaan, dan sebagian lain di dalam membran. (Disadur dari Siger dan Nicholson (1972)

Pejanan melalui kulit

Lapisan tanduk Epidermis D E R M I S Jaringan subkutan

Pembuluh kapiler darah

(3)

Sub Pokok Bahasan: Kerja Toksik

13

Pejanan melalui saluran pernapasan

Pemejanan xenobiotika yang berada di udara dapat terjadi melalui penghirupan xenobiotika tersebut.

Tokson yang terdapat di udara berada dalam bentuk gas, uap, butiran cair, dan partikel padat dengan ukuran yang berbeda-beda.

Melalui proses alami pada sal. pernapasan telah terjadi seleksi xenobiotika

14

Pejanan melalui saluran pencernaan

15

Penyampaian langsung xenobiotika ke dalam tubuh

16

Fase eksposisi

Fase Toksokinetik / Farmakokinetik

• Proses pada fase ini dibagi:

–

invasi

terdiri dari absorpsi, transpor, dan

distribusi,

–

evesi

juga dikenal dengan eleminasi

Fase Toksokinetik:

• Absorpsi:

– pengambilan xenobiotika dari permukaan tubuh (disini termasuk juga mukosa saluran cerna) atau dari tempat-tempat tertentu dalam organ dalaman ke aliran darah atau sistem pembuluh limfe

• Transpor dan distribusi

–konveksi (transpor xenobiotika bersama peredaran darah),

–difusi (difusi xenobiotika di dalam sel atau jaringan).

• Eliminasi

– semua proses yang dapat menyebabkan penurunan kadar xenobiotika dalam sistem biologi / tubuh organisme, proses tersebut reaksi biotransformasi dan ekskresi

(4)

Sub Pokok Bahasan: Kerja Toksik

19

• Secara umum toksokinetik menelaah

– laju absorpsi xenobiotika dari tempat paparan

ke sistem peredaran darah,

– distribusi di dalam tubuh,

– bagaimana enzim tubuh memetabolismenya,

– dari mana dan bagaimana tokson atau

metabolitnya dieliminasi dari dalam tubuh

20 • ditandai oleh masuknya xenobiotika/tokson dari tempat

kontak (paparan) menuju sirkulasi sistemik tubuh atau pembuluh limfe.

• didefinisikan sebagai jumlah xenobiotika yang mencapai sistem sirkululasi sistemik dalam bentuk tidak berubah • Absorpsi suatu xenobiotika tidak akan terjadi tanpa

suatu transpor melalui membran sel, demikian halnya juga pada distribusi dan ekskresi

Absorpsi

21

• Absorpsi suatu xenobiotika tidak akan

terjadi tanpa suatu transpor melalui

membran sel, demikian halnya juga pada

distribusi dan ekskresi.

• Oleh sebab itu membran sel (membran

biologi) dalam absorpsi merupakan sawar

„

barier“

yaitu batas pemisah antara

lingkungan dalam dan luar

Fase Toksokinetik: Absorpsi

22

Penetrasi xenobiotika :

– difusi pasif,

– filtrasi lewat pori-pori membran ”poren”, – transpor dengan perantara

molekul

pengemban ”carrier”, – pencaplokan oleh

sel ”pinositosis”

Fase Toksokinetik: Absorpsi

Transpor xenobiotika lewat membran sel.

Difusi pasif

• proses transpor transmembran → perbedaan

konsentrasi xenobiotikaantar sisi membran dan

daya larutnya dalam lipidsebagaidaya dorongnya

• Laju difusi →hukum difusi Fick

Fase Toksokinetik: Absorpsi -Transpor xenobiotika lewat membran sel.

( )

C h DAK dt

dQ₌ _∆ ∆C = perbedaan konsentrasi A = luas permukaan membran

K = koefisien distribusi (partisi) xenobiotika D = koefisien difusinya

h = tebal membran P = koefisien Partisi

Difusi pasif

Hubungan jumlah atom C dengan aktivitas anti-bakteri seri homolog n-alifatis alkohol (R-OH), (disadur dari Siswandono, 2006)

(5)

Sub Pokok Bahasan: Kerja Toksik

25

Senyawa yg sangat non polar?

Fase Toksokinetik: Absorpsi -Transpor xenobiotika lewat membran sel; difusi pasif

terlebih dahulu harus diperlarutkan atau disolubilisasikan solubilisasi senyawa seperti ini dapat berlangsung di usus halus, terutama dengan bantuan garam empedu

26

• Henderson-Hasselbalch: asam (HA)

• Basa

Fase Toksokinetik: Absorpsi -Transpor xenobiotika lewat membran sel.; difusi pasif

Pengaruh konstanta disosiasi (pKa)

[ ]

(pKa pH) A HA rasio − − = = 10

[ ]

[

]

(pKa pH) BH B rasio = ₊ =10 −

warfarin (pKa = 4.8) pada pH cairan biologis = pKa, →50% warfarin akan berada dalam bentuk ionnya. Jika pH lingkungan meningkat → 5,8, maka hanya sekitar 10% dari warfarin yang berada dalam bentun non-ionnya

27

Filtrasi lewat pori-pori membran ”poren”.

• Membran sel umumnya memilika lubang dengan

ukuran yang bervariasi tergantung pada sifat

dari membran selnya

– umumnya 4 Å dilewati oleh tokson yang relatif larut air dengan BM < 200 Da

– Pori memban kapiler dan glomerulus ginjal sekitar 70 Å dilewati oleh molekul-molekul dengan ukuran lebih kecil dari albumin ( sekitar 50.000 Da)

Fase Toksokinetik: AbsorpsiTranspor xenobiotika lewat membran sel

28

perantara melekul pengemban ”carrier”

Pencaplokan oleh sel ”pinositosis”

Fase Toksokinetik: Absorpsi -Transpor xenobiotika lewat membran sel

Rute absorpsi :

- Saluran pencernaan

Fase Toksokinetik: Absorpsi;

(6)

Sub Pokok Bahasan: Kerja Toksik

31 • Faktor farmaseutika • pH yang extrim • Enzim-enzim hidrolisis • Mikroflora usus

• Metabolisme di dinding usus→reaksi biokimia oleh enzim katalisis sebelum mencapai venahepatika

• Metabolisme di hati→first pass effect

• Makanan yang terdapat di lumen saluran cerna • P-Glykoprotein→protein pompa pendorong bagi

beberapa xenobiotika untuk memasuki sistem sistemik

- Faktor-faktor yang dapat berpengaruh pada laju absorpsi peroral Fase Toksokinetik: Absorpsi – Rute absorpsi

32

• Tempat utama bagi

absorpsi: alveoli paru-paru

bagi:

– gas (spt: CO, oksida nitrogen, dan belerang oksida), dan – uap cairan (seperti benzen

dan karbon tetraklorida).

• Kapasitas absorpsi yang

tinggi (

berkaitan dengan luasnya permukaan alveoli, laju aliran darah yang cepat, dan dekatnya darah dengan udara alveoli

)

• Tidak terdapat reaksi

first

pass effect

- Absorpsi xenobiotika melalui saluran napas (inhalasi) Fase Toksokinetik: Absorpsi – Rute absorpsi

33 • absorpsi terjadi bila xenobiotika

dapat melintasi membran epidermis dan dermis diserap melalui

– folikel,

– sel-sel keringan, atau – kelenjar sebasea

• Tahap absorpsi

– Fase I: difusi tokson lewat epidermis melalui sawar (barier) lapisan tanduk (stratum corneum). – Fase II: difusi tokson lewat dermis yang mengandung medium difusi yang berpori, nonselektif, dan cair

- Absorpsi xenobiotika perkutan

Fase Toksokinetik: Absorpsi – Rute absorpsi

Lapisan tanduk Epidermis D E R M I S Jaringan subkutan 34

• Setelah xenobiotika

mencapai sistem

peredahan darah, ia

bersama darah akan

diedarkan/ didistribusikan

ke seluruh tubuh, melalui

proses transpor:

– konveksi (transpor xenobiotika bersama aliran darah) dan – transmembran (transpor xenobiotika melewati membran biologis).

- Distribusi

• faktor biologis:

– laju aliran darah di organ dan jaringan, – sifat membran biologis

– perbedaan pH antara plasma dan jaringan

• faktor sifat molekul xenobiotika

– ukuran molekul

– ikatan antara protein plasma dan protein jaringan – kelarutan

– sifat kimia

Faktor-faktor yang berpengaruh pada proses

distribusi suatu xenobiotika

Fase Toksokinetik: Distribusi

Laju aliran darah

Faktor-faktor yang berpengaruh pada proses distribusi suatu xenobiotika Fase Toksokinetik: Distribusi

2,1 5

18 Jaringan Lemak

Aliran darahnya jelek:

5 23 40 Otot-otot 5 6 10 Kulit

Aliran darahnya kurang bagus:

70 24

2,8 Lambung dan usus saluran

pencernaan 84 4 0,5 Jantung 400 100 1,5 Paru-paru 54 12 2,0 Otak 85 28 2,8 Hati 400 20 0,5 Ginjal

Aliran darahnya bagus:

Laju aliran darah (ml/min/100g organ) Prosen (%) dari volum

jantung per menit Prosen (%) dari

berat badan Organ

(7)

Sub Pokok Bahasan: Kerja Toksik

37

• Struktur membran basal dapat dibedakan

menjadi:

– kapiler yang sangat tertutup (contoh: barier sawar darah otak)

– kapiler yang berjendela, pada jendela ini terjadi pertukaran cairan yang sangat intensiv, jarak jendela dalam kapiler ini adalah tidak beraturan

(contoh:tubulus ginjal),

– kapiler yang terbuka, tidak terdapat hubungan antar sel-sel endotel, sehingga pada kapiler ini terdapat lubang-lubang yang besar, yang dapat dilewati oleh plasma darah (contoh: hati).

Sifat membran biologis

38 Faktor-faktor yang berpengaruh pada proses distribusi suatu xenobiotika Fase Toksokinetik: Distribusi

Sifat membran biologis

xenobiotika lipofil dan hidrofil dapat lewat - darah→hati

- hati→empedu - paru-paru - plasenta

- darah→kelenjar mamai - kapilar-kapiler di kulit dan otot - lapisan lendir (mata, hidung, kantung kemih) - glomerulus ginjal (filtrasi)

Membran lipid dengan „Poren“

- lapisan lendir penanjang saluran pencernaan - lapisan lendir di mulut

- tubulus ginjal - kulit

hanya xenobiotika lipofil, tidak terionisasi; xenobitika polar akan terperfusi sangat lambat atau sama sekali tidak - barier sawar darah otak

darah→liquor darah→otak

Membran lipid

Permeabilitas beberapa membran biologis (H Nau, 1994)

39

Perbedaan pH antar plasma dan jaringan

40

• Ikatan xenobiotika pada protein bersifat relatif

tidak khas dan merupakan ikatan bolak-balik

„reversibel“.

• Albumin adalah protein plasma yang paling

banyak terlibat pada pembentukan ikatan pada

protein plasma

• Ikatan protein membantu distribusi suatu

xenobiotika

• Ikatan protein berpengaruh juga pada intensitas

kerja, lama kerja toksik dan eliminasi

xenobiotika dari dalam tubuh

Ikatan protein

• Proses eliminasi adalah proses hilangnya

xenobiotika dari dalam tubuh organisme

– biotransformsi (metabolisme)

– eksresi melalui:

• ginjal bersama urin

• saluran pencernaan bersama feses • paru-paru • kelenjar keringat • kelenjar mamai

Eleminasi

Fase Toksokinetik: Biotransformasi

• Reaksi biokimia yang terlibat dalam proses perubahan xenobiotika menjadi turunan yang lebih nonpolar dengan tujuan xenobiotika lebih mudah dieleminasi dari dalam tubuh organisme

lebih lanjut akan dibahas lebih dalam dalam sub pokok bahasanBiotransformasi

(8)

Sub Pokok Bahasan: Kerja Toksik

43

Ekskresi

Melalui ginjal bersama urin • Ginjal sangat memegang

peranan penting dalam mengekskresi baik senyawa eksogen (xenobiotika) maupun seyawa endogen, yang pada umumnya tidak diperlukan lagi oleh tubuh • Proses utama ekskresi

renal:

– filtrasi glumerula, – sekresi aktif tubular, dan – resorpsi pasif tubular

Fase Toksokinetik: Eliminasi

44

Ekskresi melalui empedu

Fase Toksokinetik: Eliminasi

ekskresi xenobiotika:

•terutama polaritas yang tinggi (anion dan kation),

•kojugat terikat pada protein plasma, dan

•senyawa dengan BM > 300 Ekskresi senyawa tersebut melalui empedu dikeluarkan lewat feses

45

• Zat yang pada suhu

badan berbentuk gas

terutama diekskresikan

lewat paru-paru.

• Cairan yang mudah

menguap juga mudah

keluar lewat udara

ekspirasi

Ekskresi lewat paru-paru Fase Toksokinetik: Eliminasi

46

Konsentrasi plasma

Kurva konsentrasi toksikan dalam plasma setelah terpapar melalui oral

A B 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 0 120 240 360 480 600 720 Waktu (min) K on sentr as i ( µ g/ m l)

Fase Toksodinamik /

Farmakodinamik

Fase eksposisi

Interaksi tokson-reseptor pada organ efektor (tempat kerja spesifik) dan juga proses-proses yang terkait dimana pada akhirnya timbul efek toksik atau terapeutik

Umumnya Interaksi reversibel →mengakibatkan perubahan fungsional, efek akan hilang apabila tokson tereliminasi dari tempat kerjanya

(9)

Sub Pokok Bahasan: Kerja Toksik

49 Fase Kerja Toksodinamik

• Konsentrasi suatu tokson/obat pada

tempat kerja ”tempat sasaran” umumnya

menentukan kekuatan efek biologi

(respon) yang dihasilkan

50

Resptor

Fase Kerja Toksodinamik

• Paul Ehrlich,

(1897) menduga bahwa

netralisasi toksin bakteri oleh antibodi

disebabkan oleh adanya ”rantai samping”

pada antibodi itu.

– Rantai samping akan berinteraksi dengan

racun tertentu, ia mencatat bahwa agen organ

sintetik tertentu memiliki efek antiparasitik

yang karakteristik sementara agen yang lain

tidak, meskipun struktur kimia mereka hanya

sedikit berbeda

51

Resptor

• John N. Langley (1905) pertama kali

mengemukakan konsep reseptor.

– Mengamati: efek nikotin dan kurare pada otot rangka tidak berubah setelah saraf yang mensarafi otot tersebut mengalami degenerasi

– Kurare tidak mencegah kontraksi otot akibat rangsangan listrik, tetapi benar-benar memblok kontraksi yang disebabkan oleh nikotin.

– Melalui penelitian ini disimpulkan bahwa ”racun” tidak berpengaruh pada protein kontraktil dalam otot, melainkan pada zat-zat lain di otot yang dapat disebut ”zat-reseptor”.

52

Resptor

• Setelah tahun 70-an

– pengertian bahwa interaksi biokimiawi antara zat-zat endogen dan sel-sel tubuh hampir selalu berlangsung di tempat spesifik, yaitu reseptoratau enzim

– zat-zat pengatur kimiawi ”regulator endogen” (norardrenalin, serotonin, dopamin, dan lain-lain), masing-masing mempunyai titik kerja spesifik di satu atau lebih organ. ( kunci-anak kunci)

– Reseptor obat dapat didefinisikan sebagai suatu makromolekul (biopolimer) jaringan sel hidup, mengandung gugus fungsional atau atom-atom terorganisasi, reaktif secara kimia dan bersifat khas, dan dapat berinteraksi secara terpulihkan (reversibel)

dengan molekul obat yang mengandung gugus fungsional khas, menghasilkan respons biologis tertentu.

Resptor

Fase Kerja Toksodinamik Setelah tahun 70-an

– dimurnikan dan dikaraktersasikan secara biokimia, sehingga dikenal sebagai

• protein regulator, • enzim,

• protein pembawa/, dan • protein struktural

– Perluasan konsep reseptor pada endokrinologi, imunologi, dan biologi molekuler, terbukti penting untuk menerangkan banyak aspek pengaturan biologis

Konsep ini membantu sekali perkembangan farmakologi, terutama membentuk dasar dalam pemahaman kerja dan penggunaan obat di klinik .

Resptor

• Kegunaan dan konsekuensi praktis dari konsep

reseptor pada perkembangan obat dan

pengambilan keputusan terapeutik dalam

praktek klinik:

– Pada dasarnya reseptor menentukan hubungan kuantitatif antara dosis atau konsentrasi obat dan efek farmakologis

– Reseptor bertanggung jawab pada selektivitas kerja obat

– Reseptor-reseptor menjembatani kerja antagonis farmakologi

(10)

Sub Pokok Bahasan: Kerja Toksik

55

Resptor

Tiga aspek fungsi reseptor obat:

• sebagai determinan hubungan kuantitatif antara konsentrasi obat dan respons → reseptor dipandang sebagai suatu unit sederhana yang ditandai oleh afinitasnya mengikat ligan-ligan obat dengan jumlah berlimpah dalam sel atau jaringan target/sasaran. • sebagai protein regulator dan komponen penerus sinyal kimiawi

yang melengkapi target-target obat penting →reseptor dianggap sebagai molekul kompleks yang struktur dan fungsi biokimiawinya membantu menjelaskan ciri utama hubungan efek-konsentrasi dan juga selektivitas farmakologik

• sebagai determinan utama terhadap efek terapeutik dan toksik pada pasien →dibahas peran penting yang dijalankan reseptor dalam menentukan selektivitas kerja obat, hubungan antara dosis obat dan efeknya, dan manfaat terapeutik obat (misal efektivitas terapeutik versus toksisitas)

56

Interaksi obat-reseptor

• Prinsip„kunci anak kunci“

• Kemampuan ikatan ditentukan oleh afinitas obat terhadap reseptor „afinitas instrinsik“

R

T TR

Fase utama pada pembentukan suatu kompleks obat-reseptor (dari Mutschler)

57

• Hasil interaksi obat-reseptor ini umumnya

merupakan efek yang dapat diamati atau

dirasakan

• Interaksi ini menimbulkan sinyal yang

menjadi pesan interselular dalam

mengontrol fungsi sel

Interaksi obat-reseptor

58 pendekatan mekanisme dasar sinyalisasi trans-membran

• ligan (xenobiotika) larut

dalam lapisan ganda

lemak membran dan

melintasi membran dan

bekerja (berinteraksi)

dengan reseptor

intraselular

–yang mungkin adalah enzim atau pengatur transkripsi gen

Fase Kerja Toksodinamik: Interaksi obat-reseptor

• protein reseptor transmembran

yang aktivitas enzimatik

intraselulernya diatur secara

allosterical

oleh ligan

(xenobiotika) yang terikat pada

tempat di domain entraseluler

protein

–sehingga mengaktifkan aktivitas domain sitoplasmiknya

pendekatan mekanisme dasar sinyalisasi trans-membran Fase Kerja Toksodinamik: Interaksi obat-reseptor

• reseptor trasmembran yang

mengikat dan menstimulasi

protein kinase tirosin

(11)

Sub Pokok Bahasan: Kerja Toksik

61

• kanal ion transmembran

yang

ligand-gated

, yaitu

kanal ion yang

pembukaan/penutupan-nya dapat diinduksi oleh

ligan yang terikat pada

reseptor kanal ion

tersebut

62

Interaksi obat-reseptor

protein reseptor transmembran yang menstimulasi transduktor yang memberikan sinyal setelah berikatan dengan GTP (protein G) yang kemudian menimbulkan pembawa pesan kedua

63

• Berdasarkan mekanisme munculnya efek

akibat interaksi obat-reseptor

– interaksi

antagonis

(menimbulkan efek yang

berlawanan

→

menunjukkan kombinasi efek

lebih kecil daripada jumlah efek zat

masing-masing

– interaksi

agonis

(menimbul efek yang searah)

Interaksi obat-reseptor

64 • Dapat dibedakan antara

sinergisme (kurve b: kepekaan terhadap A akan ditingkatkan oleh B) dan

• antagonisme Kurve c umumnya diberikan oleh interaksi antagonisme fungsional, • kurve d menunjukkan antagonisme kompetitif, dan • kurve e menggambarkan antagonisme non-kompetitif

Interaksi obat-reseptor

a SINERGISME b c d ANTAGONISME e Dosis B Do si s A