I FARMACI interagiscono nella maggior parte dei casi con specifici componenti tessutali molecolari detti RECETTORI Paul Ehrlich ( ), premio

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1 I FARMACI interagiscono nella maggior parte dei casi con specifici componenti tessutali molecolari detti RECETTORI Paul Ehrlich ( ), premio Nobel 1908 descrisse la selettività batterica e anti parassitaria di chemioterapici derivati dall As. John Newport Langley ( descrisse la capacità dell atropina di prevenire le azioni bradicadizzanti della pilocarpina e l attività antagonistica del curaro sulla nicotina. Fu quindi prospettata l ipotesi che queste risposte farmacologiche fossero la conseguenza di un interazione selettiva dei farmaci studiati con sostanze recettoriali in accordo a leggi governate dalla loro massa relativa e dell affinità chimica.

2 La capacità di legare un farmaco da parte di una macromolecola organica non consente automaticamente di classificarla come recettore (es albumina). Un recettore si caratterizza per la capacità di legare specificamente il farmaco (AFFINITÀ) e per la modificazione della forza del processo trasduzionale derivante da tale legame (EFFICACIA o ATTIVITÀ INTRINSECA)

3 La formazione del complesso Farmaco- Recettore è un iterazione sterica che deriva da legami chimici di vario tipo: LEGAMI COVALENTI (stabili con energia di idrolisi di 100 kcal/mol) LEGAMI NON COVALENTI: legami ionici (5-10 kcal/mol) legami ad idrogeno (2-5 kcal/mol) legami di Van der Walls (0,5 kcal/mol) LEGAMI IDROFOBICI (in ambiente acquoso)

4 1. Perché il legame duri sufficientemente per generare effetto occorre che il numero dei legami a bassa energia sia relativamente elevato e che farmaco e recettore siano complementari 2. La specificità del legame è funzione della forza e del numero dei contatti 3. La specificità può non essere assoluta e il farmaco può riconoscere anche più macromolecole differenti dal recettore principale 4. Se farmaco e recettore sono solo parzialmente complementari l attivazione può divenire significativa aumentando la concentrazione del farmaco 5. La specificità di un farmaco è quindi anche funzione della sua concentrazione

5 Uno degli obiettivi principali degli studi farmacologici è la definizione dei parametri farmacodinamici che caratterizzano l interazione dei farmaci con i diversi recettori esistenti classificando quindi i farmaci sulla base del loro spettro differenziale di attività su tali recettori (CE 50, Emax ecc) Lo studio di come piccole modifiche strutturali del farmaco influenzano l attività biologica a livello di uno specifico recettore (relazione struttura attività, QSAR) serve ad identificare farmaci dotati di sempre maggior specificità di legame, sia per consentire una gradualità nella risposta recettoriale, sia per costituire validi modelli conformazionali del sito di legame dei farmaci

6 La capacità di legame al recettore è condizione indispensabile per l azione farmacologica, ma è importante sottolineare come farmaci diversi che interagiscono con un recettore in maniera anche leggermente diversa possano generare effetti farmacologici completamente diversi o addirittura opposti.

7 AGONISTA RECETTORIALE = un Farmaco che si lega ad un recettore e riproduce gli effetti del ligando endogeno con funzione regolatoria ANTAGONISTA FARMACOLOGICO = un Farmaco in grado di prevenire gli effetti di una sostanza ad attività agonista AGONISTA INVERSO = un Farmaco che si lega ad un recettore e determina effetti biologici opposti a quelli dell agonista puro ANTAGONISTA RECETTORIALE = un Farmaco che si lega ad un recettore, ma non produce effetti farmacologici se non quelli di inibire l azione degli agonisti (può essere competitivo se i suo sono i effetti sono revertiti all aumentare della dose di agonista o non competitivo se non sono revertiti) AGONISTA PARZIALE = un Farmaco che si lega ad un recettore ma determina un azione inferiore a quella dell agonista puro e in presenza di questo si comporta da antagonista

8 La descrizione dell effetto di un farmaco va sempre posto in correlazione con la dose di farmaco (o con la concentrazione). La relazione dose (o concentrazione) ed effetto è tipica per ciascun farmaco e la sua definizione e relativa rappresentazione grafica in un sistema di assi cartesiani è fondamentale per comprendere il meccanismo d azione terapeutica o la tossicità

9 L effetto e deve sempre essere una modificazione misurabile sperimentalmente. Lo studio può essere condotto su organismi intatti, su parti di esso (organi), su cellule, componenti cellulari o subcellulari, su recettori isolati. L effetto può essere una modificazione molecolare o un evento secondario a questa oppure la risultante di parecchi eventi secondari integrati.

10 Farmaco che provoca contrazione miocardica 1. LEGAME AL RECETTORE e trasduzione del segnale 2. Liberazione ioni Ca 2+ dai depositi intracellulari 3. Il Ca 2+ si combina con la troponina 4. Formazione di ponti tra actina e miosina 5. Aumenta la forza della contrazione miocardica (inotropismo) Occorre molta prudenza nel collegare le relazioni doserisposta coi meccanismi molecolari sottesi. Infatti vari meccanismi molecolari possono convergere per determinare effetti funzionali analoghi e inoltre i farmaci possono interferire con diversi processi biochimici in maniera complessa e difficilmente prevedibili in termini di processi biologici

11 Qualunque sia il sistema considerato l effetto di un farmaco ha due proprietà: 1. Deve essere misurabile (risposta graduale, risposta ordinale, risposta tutto-nulla o quantale) 2. Deve essere nullo quando la dose è nulla Di solito le misurazioni vengono fatte in condizioni di equilibrio prescindendo dalla cinetica dell effetto e comunque dal fattore tempo

12 Prendendo in considerazione una serie di concentrazioni crescenti di un farmaco ad azione agonista e ponendo i dati in UN SISTEMA DI ASSI CARTESIANI CON SCALE LINEARI PER LA CONCENTRAZIONE (variabile Indipendente) E PER L EFFETTO (variabile dipendente) le copie concentrazione effetto danno origine a CURVE CON UN ANDAMENTO IPERBOLICO In caso di risposte recettore mediato l effetto aumenta in maniera esponenziale al crescere della concentrazione fino a raggiungere un effetto massimale (Emax) non superabile anche a concentrazioni più elevate dell agonista

13 Relazioni concentrazione-risposta che descrivono gli effetti di un farmaco in funzione della sua concentrazione Se la concentrazione è in scala logaritmica la curva che descrive l effetto assume un andamento sigmoide. Dalla curva si può ricavare il parametro farmacodinamico CE 50, cioè la concentrazione che produce un effetto 50% di Emax

14 Potenza e d efficacia dei Farmaci Dall analisi delle curve dose-effetto si ricavano due parametri farmaco-dinamici fondamentali: 1. L efficacia = entità della risposta evocata dal farmaco (Emax) 2. La potenza= dose necessaria per ottenere un determinato effetto(ce 50 )

15 Relazioni concentrazione-risposta che descrivono gli effetti di diversi farmaci (a, b, c, d) dotati di potenza ed efficacia diverse È evidente che potenza ed efficacia sono parametri indipendenti tra loro

16 Farmaci diversi possono avere efficacia eguale pur raggiungendo l Emax a concentrazioni molto diverse. Si usa spesso un parametro che rapporta l efficacia con la concentrazione del farmaco, la CE 50 (concentrazione che produce un effetto 50% dell Emax), per meglio definire un farmaco. Questo parametro è la potenza di un farmaco che viene talvolta espressa come pd 2 = - log CE 50

17 La potenza ha valore relativo in pratica clinica, infatti ha poca importanza la quantità di farmaco necessaria per produrre un determinato effetto terapeutico purché questa sia decisamente inferiore a quella che può produrre effetto tossico (alto valore di indice terapeutico). Vi è una correlazione diretta tra potenza farmacologica e affinità del farmaco per una data popolazione recettoriale.

18 Ha invece molto più importanza l efficacia di un farmaco: esiste infatti una correlazione tra efficacia e attività intrinseca L attività intrinseca è la capacità di un farmaco, una volta legato al recettore, di attivare i processi trasduzionali ad esso accoppiati e di generare una risposta farmacologica.

19 Relazione fra interazione Farmaco- Recettore e risposta Biologica La teoria dell occupazione, proposta da Clark nel 1933, basata sulla legge di massa, ipotizza che l effetto E di un farmaco (D) sia direttamente proporzionale al grado di occupazione del recettore, e quindi alla concentrazione (DR) del complesso farmaco-recettore E=K (DR) L effetto massimo si raggiungerà quindi quando tutti i recettori sono occupati E max =K (R totali )

20 Secondo la teoria il complesso farmaco recettore, RD, è l unica entità in grado di generare una risposta biologica, mentre R e D sarebbero di per se inattivi. D +R K 1 K 2 DR K 2 /K 1 =K D K aff = 1/K D

21 La relazione dose-effetto postulata da Clark vale se: La reazione di interazione farmaco-recettore è una reazione reversibile E stato raggiunto l equilibrio I recettori sono tutti omogenei L interazione è stechiometrica, cioè una molecola di farmaco si lega ad una molecola di recettore I recettori sono indipendenti uno dall altro, cioè l occupazione di uno di essi non influenza la capacità degli altri di essere occupati

22 Descrizione quantitativa della teoria dell occupazione recettoriale A=curva che descrive il legame al recettore B=curva che descrive l entità dell effetto

23 I Farmaci antagonisti recettoriali pur formando un complesso Farmaco-Recettore con una determinata affinità non producono alcun effetto farmacologico cioè sono privi di attività intrinseca Si distinguono due forme di antagonismo recettoriale: 1.L antagonismo competitivo sormontabile 2.L antagonismo non competitivo, irreversibile o non sormontabile

24 L antagonismo competitivo reversibile si ha quando un antagonista si lega in maniera reversibile ai siti recettoriali dell agonista. Oppure quando farmaci agonisti parziali, dotati cioè di attività intrinseca più bassa dell agonista puro sono presenti contemporaneamente all agonista puro presente in concentrazioni saturanti.

25 L antagonismo non competitivo, irreversibile si ha in due casi: 1. Quando l antagonista si lega in maniera irreversibile ai siti recettoriali dell agonista puro 2. In seguito alla produzione da parte dell antagonista di un cambiamento strutturale irreversibile nella conformazione del recettore che impedisce il legame dell agonista puro

26 Antagonismo

27 L ipotesi dell occupazioe non spiega tutti i fenomeni farmacologici A metà degli anni 50 Ariëns si rese conto che: 1. Spesso non coincidono la curva doserisposta con la curva interazione Farmacorecettore; 2. Esistono farmaci che pur occupando un determinato recettore producono una risposta minore di altri che occupano lo stesso recettore oppure non ne producono affatto

28 RECETTORI DI RISERVA SOGLIA DI OCCUPAZIONE

29 Si può ottenere le risposta massima occupando soltanto una frazione di recettori TEORIA DEI RECETTORI DI RISERVA (spare receptors) CONCETTO INTRODOTTO da Stephenson nel 1956 La dimostrazione sta nel fatto che è possibile raggiungere la risposta massima anche dopo aver inattivato, alchilando, frazioni crescenti di recettori presenti (Furchgott 1966)

30 Anche se c è il fenomeno di amplificazione a cascata del segnale c è una separazione fra curva di legame al recettore e quella di effetto anche di vari ordini grandezza

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32 Alcuni farmaci devono occupare una frazione di recettori presenti prima che si verifichi un effetto: SOGLIA DI OCCUPAZIONE Avviene quando la concentrazione del recettore è elevata rispetto alla concentrazione del farmaco In pratica generalmente la si osserva quando il farmaco produce il suo effetto finale attraverso l inibizione di un enzima. Se l enzima in questione catalizza una reazione che non è limitante la velocità dell intero processo è possibile inibire una certa quota di molecole enzimatiche presenti senza influenzare il processo finale

33 Per spiegare le differenze osservate nel comportamento di Farmaci Agonisti, Antagonisti e Agonisti Parziali è stato introdotto il concetto di ATTIVITÀ INTRINSECA o EFFICACIA nella teoria occupazionale dei recettori : Teoria di Ariëns Teoria di Stephenson

34 TEORIA DI ARIËNS L effetto di un farmaco dipende non solo dal numero di recettori occupati ma anche da una costante denominata attività intrinseca Cioè E= [DR] [Rt] = corrisponde all efficacia del complesso farmaco-recettore nel determinare la risposta biologica. Ovvero corrisponde all intensità di effetto per unità di complesso farmaco-recettore

35 COME SI MISURA? si ottiene paragonando l effetto massimo di un composto con quello di uno standard di riferimento in grado di determinare nel sistema biologico prescelto la massima risposta = E max E max rif 1 agonista puro <1 agonista parziale (dualista) 0 antagonista

36 TEORIA DI STEPHENSON R = (S) S = e (DR)/(R totali ) per cui R = e (DR)/(R totali ) R= risposta S= stimolo e = efficacia DR = complesso farmaco-recettore R = recettore

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38 Anche la teoria di Ariëns che spiega bene il comportamento di antagonisti e agonisti parziali non basta a spiegare tutte le casistiche. In particolare quando l interazione Farmaco recettore è solo uno degli eventi di una complessa serie di reazioni che sfociano alla fine nell effetto farmacologico: A-1 esempio: è necessaria una determinata frazione minima di recettori occupata perché sia possibile li sviluppo di un effetto ( la quota può essere a volte molto elevata ) B -2 esempio: l effetto massimo viene raggiunto già quando solo una piccola parte dei recettori è occupata.

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40 Recentemente ci si è resi conto che molti recettori soprattutto i GGPCR sono in grado di suscitare un segnale anche quando vuoti (senza ligando) Questi recettori vengono definiti come RECETTORI COSTITUTIVAMENTE ATTIVATI La scoperta ha portato a formulare l ipotesi di un modello recettoriale a due stadi e dell esistenza di agonisti inversi: TEORIA DELL ATTIVAZIONE COSTITUTIVA

41 Secondo la teoria classica, il complesso farmaco recettore, RD, è l unica entità in grado di generare una risposta biologica, mentre R o D sarebbero di per se inattivi. D +R K 1 K 2 DR K 2 /K 1 =K D K aff = 1/K D Mentre in quest ultima teoria esistono I recettori in forma capace di generare una risposta anche in assenza di ligando che vengono definiti: recettori costitutivamente attivati

42 La teoria classica prevede che: Cambiamento conformazionale D + R R*D La teoria dell attivazione costitutiva invece prevede che i recettori esistano in 2 possibili stati in equilibrio tra loro: R= inattivo R*= attivo D D + + R R* RD R*D

43 Nella maggior parte dei casi l equilibrio è spostato nettamente verso sinistra e quindi l esistenza di R* potrebbe essere trascurata Nel caso di recettori artificialmente mutati per produrre effetto senza ligando l equilibrio è spostato verso destra Nel caso di sovraespressione del recettore naturale non cambia l equilibrio tra le forme ma aumenta la quantità assoluta tanto di R che di R*

44 Il modello recettoriale a due stati ha portato a formulare la LA TEORIA ALLOSTERICA Nata per rispondere alla domanda: Com è possibile che farmaci diversi (agonisti e agonisti inversi) mediante interazione sappiano produrre modifiche di segno opposto della funzione biologica regolata da quel recettore? È stato quindi postulato che il recettore possa esistere in due diverse conformazioni: R i = stato inattivo R a = stato attivo

45 L AGONISTA è quel farmaco che ha maggior affinità per Ra rispetto a Ri e viene favorita la formazione di Dra NB affinità ed efficacia sono proprietà indipendenti L AGONISTA INVERSO ha maggior affinità per Ri destabilizzando la conformazione biologicamente attiva del recettore e diminuiscono l attività basala del sistema L ANTAGONISTA ha eguale attività per entrambe le forme di R e non sposta l equilibrio

46 Nello stato di riposo in assenza di farmaco c è equilibrio tra R i e R a generalmente spostato verso R i Gli agonisti si legano alla forma R a mentre gli agonisti inversi alla R i In entrambi i casi il legame determina una stabilizzazione della forma preferenziale legata. Gli antagonisti non determinano modificazione del rapporto preesistente tra R i e R a ma solo sottraggono siti recettoriali al sistema Gli agonisti parziali e gli inversi parziali determinano invece uno spostamento preferenziale verso R a e R i rispettivamente in maniera minore rispetto a agonisti e agonisti inversi

47 Classificazione dei farmaci in funzione delle loro modalità d interazione recettoriale

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49 Antagonismo Farmacologico non recettoriali Antagonismo chimico o antidotismo Antagonismo Fisiologico Antagonismo Farmacocinetico