Curve di effetto e teorie recettoriali

I FARMACI interagiscono nella maggior parte dei casi con
specifici componenti tessutali molecolari detti RECETTORI
Paul Ehrlich (1854-1915), premio Nobel 1908 descrisse la
selettività batterica e anti parassitaria di chemioterapici
derivati dall’As.
John Newport Langley (1895-1925 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”.
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)
La formazione del complesso FarmacoRecettore 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)
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
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 (CE50, 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
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.
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
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
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.
Farmaco che provoca contrazione miocardica
1.
2.
3.
4.
5.
LEGAME AL RECETTORE e trasduzione del segnale
Liberazione ioni Ca2+ dai depositi intracellulari
Il Ca2+ si combina con la troponina
Formazione di ponti tra actina e miosina
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
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
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
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 CE50, cioè la
concentrazione che produce un effetto 50% di Emax
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(CE50 )
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
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 CE50 (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
pD2= - log CE50
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.
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.
Relazione fra interazione FarmacoRecettore 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
• Emax =K (Rtotali)
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.
K1
D +R
DR
K2
K2/K1=KD Kaff= 1/KD
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
Descrizione quantitativa della teoria
dell’occupazione recettoriale
A=curva che descrive il legame al recettore
B=curva che descrive l’entità dell’effetto
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
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.
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
Antagonismo
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
RECETTORI DI RISERVA
SOGLIA DI
OCCUPAZIONE
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)
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
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
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
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
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
1 agonista puro
E max
=

<1 agonista parziale (dualista)
E max rif
0 antagonista
TEORIA DI STEPHENSON
• R =  (S)
• S = e (DR)/(Rtotali) per cui
• R =  e (DR)/(Rtotali)
•
•
•
•
•
R= risposta
S= stimolo
e = efficacia
DR = complesso farmaco-recettore
R = recettore
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.
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
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.
K1
D +R
DR
K2
K2/K1=KD Kaff= 1/KD
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
•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
+
R
D
+
R*
RD
R*D
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*
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:
Ri= stato inattivo
Ra= stato attivo
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
Nello stato di riposo in assenza di farmaco c’è equilibrio
tra Ri e Ra generalmente spostato verso Ri
Gli agonisti si legano alla forma Ra mentre gli agonisti
inversi alla Ri
In entrambi i casi il legame determina una stabilizzazione
della forma preferenziale legata.
Gli antagonisti non determinano modificazione del
rapporto preesistente tra Ri e Ra ma solo sottraggono siti
recettoriali al sistema
Gli agonisti parziali e gli inversi parziali determinano
invece uno spostamento preferenziale verso Ra e Ri
rispettivamente in maniera minore rispetto a agonisti e
agonisti inversi
Classificazione dei farmaci in funzione delle loro
modalità d’interazione recettoriale
Antagonismo Farmacologico non recettoriali
Antagonismo chimico o antidotismo
Antagonismo Fisiologico
Antagonismo Farmacocinetico