farmacocinetica
FARMACODINAMICA
STUDIO DEI MECCANISMI D’AZIONE DEI FARMACI E DEI LORO
EFFETTI SUGLI ORGANISMI VIVENTI
AZIONE DEL FARMACO = MODIFICA DI FUNZIONI O
PROCESSI BIOCHIMICI PREESISTENTI
(come e dove l’effetto è prodotto)
• FARMACI AD AZIONE ASPECIFICA
inducono modifiche funzionali in base alle loro proprietà fisiche e/o
chimiche, senza particolari affinità per particolari bersagli. Richiedono un
dosaggio elevato
• FARMACI AD AZIONE SPECIFICA
inducono modifiche funzionali in base all’interazione con siti specifici su
cellule e/o altre strutture. Richiedono un dosaggio più basso rispetto ai
precedenti.
EFFETTO DEL FARMACO = ciò che esso produce
SITO D’AZIONE = organo, tessuto, cellula sulla quale il farmaco agisce, dando luogo
alla catena di eventi che conducono all’effetto
LOCALI l’effetto si manifesta nel punto di
applicazione (lidocaina)
SISTEMICIl’effetto si manifesta dopo l’assorbimento e
la distribuzione (aspirina)
CLASSIFICAZIONE DEGLI EFFETTI FARMACOLOGICI
IMMEDIATIl’effetto è rapido, dopo una singola
esposizione (diazepam)
REVERSIBILIl’effetto scompare quando cessa
l’esposizione (broncodilatatori)
RITARDATIl’effetto si manifesta dopo un certo periodo
dall’esposizione iniziale (antidepressivi)
IRREVERSIBILIl’effetto permane quando cessa l’esposizione
(esteri organofosforici)
MECCANISMI ELEMENTARI D’AZIONE DEI FARMACI
(I) FARMACI CHE AGISCONO IN VIRTU’ DELLE LORO
PROPRIETA’ CHIMICO-FISICHE
• OSMOTICI (diuretici, purganti)
• ACIDI E BASI (antiacidi)
• OSSIDANTI-RIDUCENTI (disinfettanti)
• F. CHE FORMANO BARRIERE FISICHE (emollienti; sucralfato)
• ADSORBENTI (antidiarroici)
• SURFACTANTI (antisettici)
• STABILIZZANTI DI MEMBRANA (antiaritmici, anestetici locali)
MECCANISMI ELEMENTARI D’AZIONE DEI FARMACI
(II) FARMACI CHE INTERAGISCONO CON MACROMOLECOLE
COSTITUENTI DELL’ORGANISMO
TUTTE LE BIOMOLECOLE SONO BERSAGLI POTENZIALI: PROTEINE, LIPIDI, ACIDI NUCLEICI
• enzimi
- INIBITORI (reversibili o irreversibili) es. inibitori delle MAO, inibitori
dell’acetilcolinaesterasi, FANS…
- FALSI SUBSTRATI (sulfamidici)
- INDUTTORI O REPRESSORI sistema microsomiale
• sistemi di trasporto
es: inibitori dei carriers per gli acidi deboli (probenecid)
probenecid + penicillina G → ridotta eliminazione della penicillina G
probenecid + acido urico → ridotto assorbimento dell’acido urico
• canali ionici
es: Ca2+ antagonisti…
•Acidi nucleici
es: antitumorali…
•Sali
es: bifosfonati-osteoporosi si legano ai Sali di calcio
•RECETTORI
RECETTORE
Macromolecola o insieme di macromolecole cellulari (proteine) direttamente
e specificatamente deputate alla trasmissione di un segnale chimico fra e
all’interno delle cellule. L’interazione tra sostanze chimiche, quali ormoni,
neurotrasmettitori, farmaci o messaggeri intracellulari e i loro recettori e’
responsabile di un cambiamento delle funzioni cellulari.
Puo’ essere fissa o mobile non provvista di attività enzimatica ma idonea a
modulare attività enzimatiche o ionoforiche e provvista di siti specifici.
Geneticamente determinato.
In grado di interagire specificatamente con opportuni ligandi:
R + X ↔ RX
IPOTESI “CLASSICA”
R + X ↔ RX
R RX* Evento biochimico cellulare
EFFETTO FINALE
R = Recettore; X = Ligando
Teoria dell’occupazione di Clark
Il legame ligando-recettoreL’interazione F-R se è mediata da legami chimici deboli a bassa energia:• legami ionici • ponti idrogeno • attrazioni di van der Waals• interazioni idrofobiche
•è REVERSIBILE
F
R A
R B
Stereospecifico:Saturabile:
F
R A
FF
I legami chimici che si possono formare in ambiente acquoso
possono essere ad alta (covalenti) e bassa energia. I secondi
sono i più comuni:
1) Legami ionici
2) Ponti idrogeno
3) Attrazioni di van der Walls
4) Interazioni idrofobiche
La formazione di legami deboli è responsabile del processo di
riconoscimento fra ligando (farmaco) e recettore
Affinché il contatto tra un ligando ed il suo recettore
persista per un tempo significativo e sufficiente a
generare l'effetto biologico del farmaco, occorre che il
numero di legami a bassa energia sia relativamente
elevato.
Inoltre, poiché i legami chimici deboli si formano solo se
gli atomi coinvolti giungono in stretta vicinanza tra loro, è
necessario che la superficie della molecola di farmaco e
quella della molecola di recettore siano chimicamente
complementari l'una all'altra.
Questa complementarietà ligando-recettore è alla base
della specificità dell'interazione farmacologica.
Complementarietà ligando-recettore
Numero di legami - Durata interazione
N.B. Il legame ligando-recettore deve essere specifico. L’attivazione di un
recettore puo’ essere facilitata aumentando la probabilita’ di interazione tra
ligando e recettore, cioe’ se si aumenta la concentrazione del ligando.
Nella maggior parte dei casi farmaco (ligando) e recettore sono
tenuti uniti da legami deboli e l’interazione e’ percio’ limitata nel
tempo: una molecola di farmaco si stacca dal suo recettore,
diffonde nel mezzo ed eventualmente si lega ad un’altra
molecola recettoriale. Tale interazione e’ percio’ REVERSIBILE
Se il numero di legami deboli che si formano e’ troppo elevato o
il legame farmaco-recettore e’ di tipo covalente, l’energia del
sistema puo’ essere insufficiente a causare il distacco del
farmaco. Tale interazione e’ percio’
IRREVERSIBILE
CARATTERISTICHE DELL’INTERAZIONE FARMACO-RECETTORE
La formazione del complesso farmaco-recettore è una reazione reversibile
[RF] conc. del complesso farmaco recettore all’equilibrio[R] conc. del recettore all’equilibrio[F] conc. del farmaco all’equilibrio
R + F RF
k1
k2
k1
k2
=
[RF]
[R] [F] = KA
Costante di associazione
R + F RF
k1
k2
k2
k1
=
[R] [F]
[RF] = KD Costante di dissociazione
La costante di dissociazione
Maggiore è l’affinità → minore è la conc. necessaria per legare il 50% dei recettori presenti.
Definisce Affinità di un farmaco per il
suo recettore
Misura la capacità del farmaco di legarsi al
suo recettore
Definisce la concentrazione
necessaria a saturare il 50% dei siti di legame
presenti
KD = [R] x [F]/[RF]
Se RT = [R] + [RF]
[R] = KD x [RF]/[F]
RT = KD x [RF]/[F] + [RF]
[RF] = [F] x [RT]/KD + [F] oppure B = [F] x [Bmax]/KD + [F]
dove B = Bound (F legato al recettore) e Bmax = n°totale di recettori
Isoterma di legame o di Langmuir e correla la concentrazione di farmaco legata al recettore in funzione della concentrazione di
farmaco stesso
Isoterma di legame
Bmax = n di recettori
KD = conc. che satura
il 50% dei R
Piu’ bassa e’ la KD,
maggiore e’ l’affinita’
(serve meno ligando
per saturare il 50% dei
recettori)
RELAZIONI TRA INTERAZIONE FARMACO-RECETTORE
E RISPOSTA
TEORIA DELL’OCCUPAZIONE (di Clark)
L’effetto di un farmaco è direttamente proporzionale al grado di occupazione
del recettore
Questa relazione vale soltanto se:
- la reazione farmaco-recettore è reversibile
- è stato raggiunto l’equilibrio
- i recettori sono tutti omogenei
- l’interazione è stechiometrica (una molecola di farmaco per una molecola di recettore)
F + R FR →→→→ EFFETTO→→→→←←←←
k1
k2
Kd misura l’AFFINITA’ del ligando
L'ipotesi dell'occupazione non spiega
tutti i fenomeni farmacologici
Già dalla metà degli anni '50, Ariens ed altri autori si resero conto del fattoche l'ipotesi dell'occupazione nella sua forma più semplice non rendeconto di alcuni fenomeni che si verificano frequentemente infarmacologia; fra questi, due sono particolarmente importanti:
a) spesso la curva dose-risposta e la curva di interazione farmaco-recettorenon coincidono;
b) esistono farmaci che, pur occupando un determinato recettore, produconouna risposta inferiore ad altri che occupano lo stesso recettore, oppurenon producono alcuna risposta.
È stato quindi necessario modificare l'ipotesi dell'occupazione, od integrarlacon ulteriori ipotesi, per spiegare questi fenomeni. In questi casi, larelazione fra occupazione del recettore e risposta non è lineare, e il valoredi EC50 (o ED50) risulta diverso da quello di KD
Si definisce agonista un farmaco che si lega ad un recettore inmodo tale da generare una risposta biologica di per sé;generalmente, un agonista mima gli effetti di composti endogeni:ad es., il carbacolo è un agonista dei recettori per l'acetilcolina, inquanto mima gli effetti del normale neurotrasmettitore.
Per antagonista in senso stretto si intende un antagonistarecettoriale, cioè un farmaco che, pur legandosi ad un recettore, èincapace di produrre un effetto di per sé, ma inibisce (parzialmenteo completamente, a seconda della concentrazione) l'effetto di unagonista che agisca attraverso lo stesso recettore.
Alcuni ligandi hanno elevata affinita’ per il recettore ma non portano ad alcun
cambiamento delle funzioni cellulari
Teoria dell'attività intrinseca o di Ariens.
L'effetto di un farmaco è proporzionalealla formazione del complesso farmaco-recettore moltiplicato per un fattore α
detto anche attività intrinseca.
FARMACODINAMICA
L’esistenza di antagonisti, che pur legandosi allo stesso recettore a cui si
lega l’agonista non producono di per sé alcun effetto, contraddice la teoria
dell’occupazione.
Introduzione di un nuovo concetto:
L’effetto di un farmaco è proporzionale alla sua ATTIVITA’ INTRINSECA o EFFICACIA ( α )
- Capacità del farmaco di dare inizio alla risposta biologica dopo essersilegato al recettore- Correlata alla probabilità di indurre un cambiamento conformazionaledel recettoreEFFETTO = α [FR]
- α = 0 per un antagonista- α = 1 per un agonista- α compreso tra 0 e 1 per un agonista parziale o dualista (concaratteristiche intermedie fra quelle di un agonista e quelle di unantagonista)
O N
H
H
M e
H
H
OO
2C
H
Binding site
Perfect Fit(No change in shape)
Antagonista: legame reversibile
O N
H
H
M e
H
H
OO
2C
H
Binding site
Antagonista: legame reversibile
O
NH2
H
H
antagonista
OHO
2C
Receptor binding site
Extra binding regions
Antagonist
Binding sitefor antagonist
Binding sitefor messenger
Receptor Receptor
messenger
Ingombro sterico
1
Nu
Nu
Receptor
Cl
Cl
Agonist binding site
Antagonistbinding site
Cl
Cl
Antagonista: legame irreversibile
Nu
Nu
Receptor
2Irreversible binding
RECETTORE
-) Macromolecola fissa o mobile non provvista di attività enzimatica ma idonea a modulare attività enzimatiche o ionoforiche e provvista di siti specifici
-) Geneticamente determinato
-) Idoneo ad essere deformato dalla interazione con un agonista, tale deformazione è trasmessa o ad un’enzima o a ionofori vicini. Il legame è reversibile.
-) Idoneo ad interagire con un antagonista il quale previene o impedisce la deformazione indotta dall’agonista. Il legame può anche essere irreversibile.
Il legame farmaco-recettore
Il legame farmaco-recettore può essere
• reversibile (quando il legame chimico
farmaco-recettore è dovuto a legami
deboli in genere)
Ma anche
• irreversibile (quando il farmaco si lega con
legami covalenti al suo recettore.
• Nel caso che il farmaco formi legami reversibili con il suo recettore,
molecole libere di recettore e molecole libere di farmaco sono in equilibrio
dinamico:
R + F RF
• Se il legame farmaco-recettore è irreversibile, l’effetto della molecola si
esaurisce fino a quando sono state ripristinate nuove proteine recettoriali.
R + F RF
Il legame farmaco-recettore
Il legame farmaco-recettore
La percentuale di farmaco legato al recettore (e quindi la sua efficacia) dipende
• dal numero di molecole del farmaco presenti nel sito recettoriale,
• dal numero dei recettori e
• dalla affinità del farmaco per il recettore stesso (maggior affinità, maggior
legame)
Inoltre…….L’attività di un farmaco
• non è soltanto funzione del numero di molecole legate al recettore,
• ma anche del numero di recettori presenti in un sistema,
• delle loro proprietà biologiche,
• della regolazione funzionale,
• della distribuzione tissutale e
• delle modificazioni fisiopatologiche di questi ultimi.
Anche alterazioni genetiche a carico dei recettori o dei loro sistemi ditrasduzione possono influenzarne l’attività.
RELAZIONE DOSE-EFFETTO
L’intensità dell’effetto prodotto da
un farmaco è proporzionale alla
dose somministrata
Le risposte farmacologiche possono essere divise in:
1) Risposte graduali: misurabili in continuo tendendoasintotticamente ad un valore massimo; es. pressionesanguigna
2) Risposte non misurabili in continuo ma che si possonoclassificare con un voto (score); es. dolore, grado didemenza.
3) Risposte quantali (tutto o nulla): risposta o no (es. vita omorte, sonno)
Curve dose-risposta
Risposta
[Farmaco]
max
50%
log10[Farmaco]
logEC50
RISPOSTE GRADUALI
SOGLIA DI OCCUPAZIONE
Alcuni farmaci devono occupare una considerevole frazione di recettori prima di vedere un effetto (es. alcuni bloccanti neuromuscolari)
Risposte gradualipotenza
Secondo la teoria dell’occupazione
KD = ED50
….e per gli antagonisti
Antagonista competitivo o sormontabile (Il legame antagonista-recettore
può avvenire sullo stesso sito recettoriale dell’agonista e quindi le
due molecole competono per un sito comune)
Antagonista Recettore
Complessoantagonista-recettore
NESSUNA RISPOSTA!
Antagonista competitivo o sormontabile (Il legame antagonista-recettore
può avvenire sullo stesso sito recettoriale dell’agonista e quindi le
due molecole competono per un sito comune)
Antagonista Recettore
Complessoantagonista-recettore
Risposte gradualiAntagonismo sormontabile
Antagonista sormontabile o competitivo:
Sposta a destra, parallelamente, la curva dose-risposta. Aumentando a sufficienza la concentrazione di agonista si puo’ raggiungere l’effetto massimo. Percio’, aumenta la EC50apparente dell’agonista. Il meccanismo molecolare e’ generalmente quello della competizione per uno stesso sito.
Antagonista non competitivo o non sormontabile (Il legame antagonista-
recettore è irreversibile e perciò una volta legato il recettore è
occupato permanentemente)
Antagonista Recettore
Complessoantagonista-recettore
NESSUNA RISPOSTA!
Risposte gradualiAntagonismo non sormontabile
Antagonista non sormontabile o non competitivo:
Sposta a destra, in modo non parallelo, la curva dose-risposta, deprimendo l’effetto
massimo ottenibile anche a concentrazioni elevate di agonista. Se la relazione tra occupazione del recettore e effetto e’ lineare la EC50 dell’agonista non
varia. Il meccanismo molecolare e’ generalmente quello della competizione
irreversibile per uno stesso sito dell’agonista o per un altro sito
(antagonista allosterico non competitivo).
Risposte graduali Antagonismo competitivo
Agonista + concentrazioni multipledi antagonista B
log10[agonista]
Risposta
Agonistada solo
D1 D2 D3 D4
[B] [2B] [3B]
DR = dose ratio
La distanza fra due curve non dipende dalla dose di agonista ma dalla potenza e dalla dose di antagonista
La potenza di un antagonista si esprime con il pA2 di un antagonista
• E’ il logaritmo negativo della
concentrazione di antagonista necessaria
per raddoppiare la concentrazione di
agonista che produce una certa risposta
Modulatore Allosterico
Antagonismo Allosterico
Risposte graduali-Agonisti parziali
efficacia Effetto = Effettomax x αααα
Agonisti parzialiαααα compreso tra 0 e 1 =
Agonisti pieni αααα = 1
Antagonisti αααα = 0
esempio
Attivita’ costitutiva e agonisti inversi
Oggi questa teoria e’ superata: molti recettori (GPCRs) sono in
grado di generare risposta anche in assenza di ligando, hanno
cioe’ attivita’ costitutiva
SECONDO L’IPOTESI “CLASSICA”
R + X ↔ RX
R RX* Evento biochimico cellulare
Secondo questa teoria RX* e’ l’unica entita’ in grado di generare una risposta
At a first glance, it may seem there is no theoretical or practical reasons to believe that inverse agonists should
have an intrinsic benefit over an antagonist in many situations where drugs are clinically used. In general,
drugs are simply used to regulate the release of an endogenous agonist or to compete with it and limit its
actions. Therefore potency, bioavailability and selectivity seem the key issues to consider. However, in a range
of circumstances, specific benefits of using an inverse agonist can be envisaged.
A first requirement to conceive an advantage in using an inverse agonist over an antagonist is that the receptor
displays constitutive activity in vivo. In this sense, the constitutive activity of GPCRs in native in vivo systems
has been proved only for few receptors.
On the other hand, there are clinical instances where the pathological entity is a constitutively active GPCR,
which produces physiological response in the absence of endogenous agonists. In these circumstances, the
underlying condition may be only effectively treated with inverse agonists. Most of these diseases are
associated with the endocrine system, although visual alterations due to rhodopsin mutations and some viral
infections were also related to constitutively active forms of GPCRs.
There are also many examples where inverse agonists may be useful for cancer treatment. For instance, high
levels of specific GPCR expression have been described in tumor cells, where it has been shown that their
endogenous ligands, present at high levels in the tumor cells.
sinergismo
azione combinata di due farmaci dotati di attività
qualitativamente simile, quando vengono somministrati
contemporaneamente, per cui l’effetto globale
dell’associazione è superiore o inferiore a quello
singolo del più attivo dei due.
SOMMA POTENZIAMENTO DECREMENTO
SINERGISMO DI SOMMAeffetto farmaco A = 1effetto farmaco B = 1effetto finale = 2I due farmaci possono agire con lo stesso meccanismo d’azione o con meccanismi diversi (es. streptomicina-penicillina)
SINERGISMO DI POTENZIAMENTOeffetto farmaco A = 1 effetto farmaco B = 1effetto finale = 3La risposta che si ottiene è superiore rispetto allasomma delle azioni dei due farmaci(es. trimetoprim/sulfametossazolo)
SINERGISMO DI DECREMENTOeffetto farmaco A = 1 effetto farmaco B = 1effetto finale = 1.5La risposta ottenuta è inferiore alla somma delle azioni dei due farmaci, ma comunque maggiore a quella ottenuta somministrando un solo farmaco. Può anche essere definito come un antagonismo competitivo tra un agonista e un agonista parziale (morfina/nalorfina)
• L’espressione controllata dei recettori assicurala selettivita’ tissutale e cellulare delle risposte ailigandi endogeni.
• Esistono meccanismi complessi che controllanol’espressione e la localizzazione dei recettori.Diverse proteine molto vicine tra loro, immersein microambiente favorevole. Questo complesso“recettore-proteine adattatrici-trasduttori delsegnale” viene spesso definito come“recettosoma”
Espressione controllata dei recettori
DESENSIBILIZZAZIONE
MECCANISMI DI DESENSIBILIZZAZIONE RECETTORIALE
A) VARIAZIONI DI AFFINITA’
B) DISALLINEAMENTO TRA RECETTORE E SISTEMA DI TRASDUZIONE
C) INTERNALIZZAZIONE DEL RECETTORE (DOWN-REGULATION)
MODULAZIONE DELLE RISPOSTE RECETTORIALI
Le risposte recettoriali sono controllate in termini quantitativi e
temporali per permettere alle cellule di rispondere adeguatamente a
stimoli esterni diversi
CONTROLLO DEL
NUMERO
Regolazione di sintesi,
trasporto e rimozione dei
recettori
Regolazione della
capacità del recettore e
degli effettori di
rispondere al mediatore
Significato finalistico dei fenomeni di
adattamento delle risposte recettoriali
Assenza di stimolazione
induce la cellula ad
aumentare il n° di recettori
in modo da aumentare la
probabilità di interazione
con il ligando
“up-regulation”
Eccesso di stimolazione
induce la cellula a ridurre
il n° di recettori in modo
da ridurre l’interazione
con il ligando
“down-regulation”
REFRATTARIETA’ O DESENSITIZZAZIONE
Riduzione della capacità di un sistema recettoriale di generare una
risposta al farmaco in seguito a esposizione persistente ad un
agonista
MECCANISMI DI DESENSITIZZAZIONE RECETTORIALE
VARIAZIONI DI AFFINITA’
DISALLINEAMENTO TRA RECETTORE E
SISTEMA DI TRASDUZIONE
INTERNALIZZAZIONE DEL RECETTORE
(DOWN-REGULATION)
RECETTORE
-) Macromolecola fissa o mobile non provvista di attività enzimatica ma idonea a modulare attività enzimatiche o ionoforiche e provvista di siti specifici
-) Geneticamente determinato
-) Idoneo ad essere deformato dalla interazione con un agonista, tale deformazione è trasmessa o ad un’enzima o a ionofori vicini. Il legame è reversibile.
-) Idoneo ad interagire con un antagonista il quale previene o impedisce la deformazione indotta dall’agonista . Il legame può anche essere irreversibile.
-) Suscettibile di assumere tre conformazioni diverse tra loro: stato di riposo, stato di attivazione, stato di desensibilizzazione.
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