FARMACODINAMICA
studia gli effetti biochimici e il meccanismo d’azione dei
farmaci
Scopi
√ identificare i siti d’azione dei farmaci
√ delineare le interazioni fisiche o chimiche tra farmaco
e cellula
√ caratterizzare la sequenza completa farmaco-effetto
√ definire le basi per l’uso razionale dei farmaci e per il
disegno di nuovi farmaci
Come agiscono i farmaci?
Interazione con i RECETTORI
Macromolecole funzionali specifiche dell’organismo in
grado di interagire con un farmaco dando inizio alla
catena di eventi biochimici che portano agli effetti
farmacologici osservati.
Macromolecole deputate alla trasmissione di un segnale
chimico cellulare (IUPHAR)
Recettore di un farmaco:
qualsiasi componente macromolecolare dell’organismo, per
lo più di natura proteica, lipoproteica o glicoproteica ,
presente sulla superficie o all’interno della cellula, dotato
di propria funzione.
a) dispongono di un sito di legame specifico che consente il
legame con un determinato composto
b) la conformazione e la funzionalità della proteina
recettoriale mutano in seguito al legame con il composto
1
L’interazione tra un farmaco e un recettore segue la
legge dell’azione di massa.
Concetto di recettori di riserva (“spare receptor”)
•Maggiore è il numero di recettori presenti in un determinato sistema, maggiore è
la sua capacità di rispondere a basse concentrazioni di agonista
• La riserva di recettori può agire da meccanismo di protezione di un organo,
permettendo la risposta completa anche se una parte di recettori è inattivata.
•Se in un organo è presente un numero elevato di recettori di riserva, la
sensibilità dell’organo è aumentata
AZIONE DEI FARMACI NON MEDIATE DA RECETTORI
Esempi:
√ Farmaci che agiscono specificamente con molecole o ioni
presenti nell’organismo in condizioni normali o patologiche:
Azioni farmacologiche di tipo chimico
Farmaco
Meccanismo
Effetto
Cloruro di ammonio
Lattato e bicarbonato Na
Dimercaprolo
Penicillamina
EDTA
Desferossiamina
Eliminazione urinaria di HCl
Scambio Na+-H+
Chelazione ioni Hg2+, As2+
Chelazione ioni Cu2+
Chelazione ioni Pb2+
Chelazione ioni Fe2+
↓ pH urinario
↑ pH urinario/gastrico
antidoto avvelenamento
Tx morbo di Wilson
Tx del saturnismo
Tx della talassemia
2
AZIONE DEI FARMACI NON MEDIATE DA RECETTORI
Esempi:
√ Farmaci che agiscono in virtù delle loro proprietà
osmotiche:
Azioni farmacologiche di tipo fisico
Farmaco
Mannitolo
Agar
Destrano 40
Destrano pesante
Colestiramina
Tensioattivi
Meccanismo
osmosi
osmosi
↓ viscosità sangue
osmosi
adsorbimento
detergente
Effetto
Diuresi
Lassativo
Miglioramento microcircolazione
Aumento volemia
ipocolesterolemizzante
Disinfettante, spermicida
Interazione Farmaco - Recettore
3
Interazione Farmaco - Recettore
• Legame F-R dà inizio alla catena di eventi biochimici che
portano agli effetti farmacologici osservati;
• Potenzialmente capace di modificare la velocità con la
quale si svolge qualsiasi funzione dell’organismo;
• Non creano effetti, ma si limitano a modulare funzioni
già in atto.
Generalmente, i farmaci influenzano in modo quantitativo le funzioni
fisiologiche delle cellule bersaglio, ma non impartiscono nuove funzioni.
FARMACO + RECETTORE
Interazione farmaco recettore:
√ mediata da legami chimici deboli
√ reversibile
√ stereospecifico
√ saturabile
4
Quali sono i bersagli
dell’azione dei Farmaci?
a) Recettori classici di
sostanze endogene (per i
neurotrasmettitori
(adrenalina)
5
Quali sono i bersagli
dell’azione dei Farmaci?
a) Recettori classici di
sostanze endogene (per i
neurotrasmettitori
(adrenalina)
b) Canali ionici (calcioantagonisti; anestetici
locali)
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Quali sono i bersagli
dell’azione dei Farmaci?
a) Recettori classici di
sostanze endogene (per i
neurotrasmettitori
(adrenalina)
b) Canali ionici (calcioantagonisti; anestetici
locali)
c) Enzimi (aspirina: cicloossigenasi)
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Quali sono i bersagli
dell’azione dei Farmaci?
a) Recettori classici di
sostanze endogene (per i
neurotrasmettitori
(adrenalina)
b) Canali ionici (calcioantagonisti; anestetici
locali)
c) Enzimi (aspirina: cicloossigenasi)
d) Trasportatori (omeprazolo:
pompa protonica)
8
Classificazione dei recettori
A seconda della loro localizzazione si distinguono due grandi
famiglie di recettori:
Recettori intracellulari
1.
2.
3.
4.
Per ormoni steroidei
Per i retinoidi
Per gli ormoni tiroidei
Altri
Recettori di membrana
1. Recettori canali
2. Associati a proteine G
3. Con attività tirosino-kinasica
4. Associati a tirosino-kinasi
5. Con attività guanilato ciclasica
6. Con attività tirosino-fosfatasica
7. Con attività serino/treonino kinasica
8. Per le citochine
9. Per le integrine
10.Etc.
RECETTORI INTRACELLULARI
citosolici o nucleari
Trasducono il segnale portato da mediatori lipofilici
Interagiscono
con
l’espressione
genica
proteica della cellula
il
e
genoma, modificando
quindi la
composizione
Latenza dell’effetto
9
Attivazione e struttura dei recettori intracellulari
3 domini
Dominio N-terminale
Sito di legame
Per dimerizzazione
Dominio intermedio
Dominio C-terminale
Famiglie di recettori di membrana
Trasducono il segnale portato da mediatori idrofilici
Trasducono il segnale generando modificazioni
biofisiche e biochimiche della cellula
10
RECETTORI CANALE O IONOTROPICI
Sono dei complessi macroproteici transmembranari che
formano un canale ionico (aperto dal legame con il
neurotrasmettitore o con farmaci agonisti)
La loro attivazione determina dei rapidi cambiamenti
delle concentrazioni ioniche intracellulari e del potenziale
elettrico transmembranario
Sono recettori canale:
- RECETTORI NICOTINICI
- RECETTORI GABAA
- RECETTORI PER LA GLICINA
- RECETTORI IONOTROPI PER IL GLUTAMMATO
- RECETTORE 5-HT3 PER LA SEROTONINA
- RECETTORE P2X PER LE PURINE
il recettore nicotinico muscolare
Primo recettore purificato ed espresso con metodologie di biologia molecolare
(Numa, 1984)
acetilcolina
siti di
legame sulle
subunità α
Na+
esterno
membrana
interno
cancello
chiuso
Struttura del recettore
Na+ aperto
Stati funzionali del recettore
(recettore nicotinico per l’acetilcolina)
11
Giunzione neuromuscolare
Il recettore per il GABA di tipo A
Caratterizzazione del recettore per il GABA
(Luglio 1987)
Il recettore per il GABA di tipo A:
* complesso macromolecolare composto
da 5 subunità (struttura pentamerica).
* bersaglio per l’azione di diverse
sostanze
12
Recettori per il glutammato
RECETTORI ACCOPPIATI ALLE PROTEINE G
O RECETTORI METABOTROPICI
Famiglia più numerosa di recettori
Bersagli della maggior parte dei farmaci terapeutici
Tutti trasducono il segnale attivando una proteina G
esterno
Effettore:
enzima
canale
trasportatori
Effettore:
enzima
canale
recettore
γ
γ
β
Secondo
Proteina G
messaggero (attivazione dalla
subunità α)
β
interno
Secondo
Proteina G
(attivazione dalle messaggero
subunità βγ)
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STRUTTURA DEI RECETTORI METABOTROPICI
Recettori a sette domini transmembrana
LE PROTEINE G
famiglia di proteine in grado di interagire con i nucleotidi guaninici
Ogni proteina G è formata da 3 subunità (α, β, γ)
α in grado di legare GTP e GDP, ha attività GTPasica (GTP
GDP)
β e γ associate a formare un complesso, sono idrofobiche e sono
ancorate alla superficie citoplasmatica della membrana
14
Adenilciclasi, Fosfolipasi A2, Fosfolipasi C, Fosfolipasi D, Canali Ca2+ o al K+,
Fosfodiesterasi, Scambiatore Na+/K+, ras-MAP chinasi, etc…
LE PROTEINE G
GS
Recettori per:
Effettori
amine β-adrenergiche, istamina,
5-HT,glucagone
↑ adenilatociclasi (>AMPc)
Gi1,Gi2,Gi3
amine α-adrenergiche, Ach (muscar.),
5-HT, oppioidi e molti altri
↓ adenilatociclasi (<AMPc)
apertura canali K+ (↓ frequenza
cardiaca)
Gq
ACh (muscarinici), 5-HT, bombesina
e molti altri
↑ fosfolipasi C ( ↑ IP3, DAG,
Ca++ citoplasmatico)
Go
neurotrasmettitori cerebrali (non ancora
identificati in modo specifico)
Gt , Go
fotoni, odoranti
non ancora chiaro
↓ GMPc (fototrasduzione)
15
Cascata amplificatrice
neurotrasmettitori
1°messaggero
-
ormoni
recettori
proteine G
adenilatociclasi
guanilatociclasi
fosfolipasi
IP3
2°messaggero
cAMP
cGMP
Ca
3°messaggero
proteinchinasi G
Ca 2+
2+
calmodulina
proteinchinasi A
canali ionici
fosfatidilserina
proteinchinasi
proteinchinasi
Ca-calmodulina fosfatidilserina
dipendenti
dipendenti
substrati per le diverse proteinchinasi
effetti biologici
Via di trasmissione del c-AMP
16
Fosfolipasi C
17
Classificazione dei recettori associati a proteine G
tipologie di legame con agonisti diverse famiglie
Esempi di recettori
associati a Proteine G
extracellulare
fotoni
neurotrasmettitori
peptidi
intracellulare
extracellulare
Ormoni
glicoproteici
glutammato
trombina
intracellulare
18
Una sostanza può attivare diversi recettori
Un neurotrasmettitore o recettore può attivare + proteine G; una proteina G può regolare + effettori
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RECETTORI CON ATTIVITA’ TIROSINTIROSIN-CHINASICA
Mediano le azioni di
fattori di crescita:
ormoni:
citochine
EGF (fattore di crescita epidermico)
PDGF (fattore derivato dalle piastrine)
NGF (fattore di crescita nervoso)
INSULINA
recettore tirosinchinasico
geni
geni
Meccanismi di trasduzione dei recettori ad attività
tirosinotirosino
-chinasica o accoppiati a chinasi intracellulari
20
RECETTORI CON ATTIVITA’ TIROSINTIROSIN-CHINASICA
21
MODULAZIONE DELLA RISPOSTE
RECETTORIALI
La capacità di trasdurre il segnale è controllata
DESENSITIZZAZIONE
UP - REGULATION
riduzione della capacità di un
recettore di trasdurre il
segnale, anche se legato
all’agonista
DOWN - REGULATION
IPERSENSITIVITA’ o “ up-regulation”
aumento del numero dei recettori
può verificarsi quando un recettore è esposto
in modo persistente ad un antagonista.
In questo caso, il sistema recettoriale diventa
più sensibile al ligando endogeno o ad un farmaco
agonista.
Per interrompere una terapia cronica con un
farmaco antagonista è necessario ridurre
gradualmente il dosaggio in quanto una brusca
sospensione provocherebbe l’attivazione di
tutti i recettori (effetto rebound o di
rimbalzo)
22
La possibilità di spegnere le vie di
trasduzione del segnale è per la cellula
una funzione tanto cruciale quanto la
capacità di accenderle
DESENSITIZZAZIONE DEI RECETTORI
β-ADRENERGICI
Agonista
Risposta
(AMPc)
Tempo
Agonista
Agonista
Agonista
P’asi
Agonista
N
β-ARK
ATP
OH
OH
OH
β-arr
Pi
OH
OH
OH
23
Adattamento della cellula bersaglio
viene anche chiamato desensitizzazione
Originariamente inteso come specifico dei neuroni,
ora si sa che è generalizzabile
• Permette alla cellula di rispondere a cambiamenti
nella concentrazione del ligando
• Avviene o nella diminuzione del numero di
recettori, che richiede ore, o nella loro
inattivazione, che richiede minuti.
• Inoltre, intervengono cambiamenti nelle proteine
coinvolte nella trasduzione del segnale a valle, es
proteine G
Desensitizzazione
recettoriale
Il legame recettore-agonista spesso provoca la rapida
attenuazione della responsività recettoriale
(DESENSITIZZAZIONE)
1. disaccoppiamento recettore-proteine G in
risposta alla fosforilazione del recettore
(PKA, PKC e chinasi specifiche dei recettori accoppiati
alla proteina G –GRK-)
2. internalizzazione del recettore
3. down-regulation dei recettori totali a seguito
della ridotta sintesi di mRNA e di proteina,
o della degradazione lisosomiale
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RUOLO DELLA b-ARRESTINA NELLA REGOLAZIONE
DEI RECETTORI ACCOPPIATI A G-PROTEINE
legame del
messaggero
fosforilazione
del recettore
interazione
con b-ARR
associazione
con
CLATRINA
Formazione
della
vescicola
endocitosi
1. Dopo un certo tempo che si è stabilito il legame dell’agonista al GPCR, una kinasi (GRK)
fosforila alcuni residui aminoacidici intracellulari del recettore;
2. La fosforilazione porta a un disaccoppiamento del GPCR dalla G proteina
(desensitizzazione) e al reclutamento della b-arrestina;
3.
La b-arrestina a sua volta recluta molecole di clatrina;
4. Le molecole di clatrina favoriscono la formazione di una cavità da cui originerà la
vescicola
5.
La successiva endocitosi della vescicola provocherà l’internalizzazione del recettore.
Desensitizzazione dei recettori legati alle proteine G
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Caratteristiche delle interazioni FarmaciFarmaci-Recettori
Due parametri importanti
AFFINITA’
valuta la capacità di un dato farmaco a legarsi con
uno specifico recettore
è misurabile con tecniche di “binding”
Simile alla potenza che è indice della dipendenza
dell’effetto dalla dose del farmaco
ATTIVITA’
INTRINSECA
Valuta la capacità di un dato farmaco nell’indurre un
effetto.
Efficacia di un farmaco = entità massima
dell’effetto che esso può indurre
In base alla ATTIVITA’ INTRINSECA i farmaci sono classificati in:
AGONISTI (full)
ANTAGONISTI
AGONISTI PARZIALI
attività intrinseca = 1
attività intrinseca = 0
0 < attività intrinseca <1
POTENZA
EFFICACIA
100
100
efficacia
50
50
potenza
E’ indice della dipendenza dell’effetto
dalla dose del farmaco.
The location parameter (position) of the
curve along the concentration (x) axis
defines the drug potency (alternatively,
the system sensitivity), and is most
often denoted as the concentration of
drug producing half the maximal
effective response (ED50).
Si definisce EFFICACIA di un
farmaco l’entità massima
dell’effetto che esso può indurre.
26
EFFICACIA E POTENZA DI UN FARMACO
Farmaco/i con efficacia massima?
Farmaco/i con efficacia minore?
Farmaco/i con potenza massima?
Farmaco/i con potenza minore?
POTENZA
E’ indice della dipendenza dell’effetto
dalla dose del farmaco. E’ uguale alla
affinità del farmaco per il recettore.
La posizione della curva dose-risposta
sull’asse delle ascisse rispecchia la
potenza del farmaco.
EFFICACIA
Si definisce EFFICACIA di un
farmaco l’entità massima
dell’effetto che esso può indurre.
L’altezza della curva dose-risposta
rispecchia l’efficacia.
Non dipende dalla dose
La potenza influenza la dose necessaria
per ottenere un determinato effetto.
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FARMACI AGONISTI
Si definisce AGONISTA un farmaco che si lega ad un recettore e
genera una risposta biologica.
Generalmente un agonista riproduce gli effetti dei composti endogeni.
FARMACI AGONISTI
Si definisce AGONISTA un farmaco che si lega ad un recettore e
genera una risposta biologica.
Generalmente un agonista riproduce gli effetti dei composti endogeni.
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ANTAGONISTI
sono farmaci che si legano con alta affinità ai recettori, ma non sono in grado di
indurre di per sé una risposta biologica.
L’effetto farmacologico di un antagonista è dovuto alla sua proprietà di inibire
l’effetto dell’agonista endogeno che agisce attraverso lo stesso recettore.
ANTAGONISTI
sono farmaci che si legano con alta affinità ai recettori, ma non sono in grado di
indurre di per sé una risposta biologica.
L’effetto farmacologico di un antagonista è dovuto alla sua proprietà di inibire
l’effetto dell’agonista endogeno che agisce attraverso lo stesso recettore.
Gli antagonisti possono agire con due meccanismi diversi, producendo un
effetto “sormontabile” o “insormontabile”
Gli antagonisti si classificano in:
ANTAGONISTI COMPETITIVI
ANTAGONISTI NON COMPETITIVI
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ANTAGONISTI COMPETITIVI
Gli antagonisti competitivi si legano reversibilmente allo stesso
sito a cui si lega l’agonista.
Le due molecole perciò competono per un sito comune.
Antagonista
Recettore
NESSUNA
RISPOSTA!
Complesso
antagonista-recettore
ANTAGONISTA COMPETITIVO
• sposta la curva dose-risposta dell’agonista verso destra
• riduce la potenza dell’agonista
Aumentando la concentrazione di agonista si può generare lo stesso
effetto massimo ottenuto in assenza dell’antagonista
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ANTAGONISTA COMPETITIVO
2 THERAPEUTIC IMPLICATIONS
(1) Degree of inhibition produced by the
competitive antagonist depends on the
concentration of antagonist (eg, propranolol)
(2) Clinical response to a competitive antagonist
depends on the concentration of agonist that is
competing for binding to the receptor
ANTAGONISTI NON COMPETITIVI
Gli antagonisti non competitivi possono agire con due meccanismi:
1. interagiscono in modo irreversibile con lo stesso sito dell’agonista.
2. si legano ad un sito del recettore diverso da quello occupato
dall’agonista (sito allosterico cioè regolatorio) e rendono il recettore
meno accessibile all’attivazione da parte dell’agonista.
Antagonista
Agonista
Recettore
NESSUNA
RISPOSTA!
Complesso
antagonista-recettore
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ANTAGONISTI NON COMPETITIVI
Un antagonista non competitivo deprime l’effetto massimo ottenibile
anche con dosi elevate dell’agonista senza modificarne la potenza.
ANTAGONISTI NON COMPETITIVI
Concentration-effect curve moves downward
No shift of the curve in the dose axis
Emax is not reached
No increase in median effective dose (ED50)
unless there are spare receptors
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Drugs C and D act at different sites on the receptor molecule; they are
allosteric activators or inhibitors. Note that allosteric inhibitors do not
compete with the agonist drug for binding to the receptor, and they
may bind reversibly or irreversibly.
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PHYSIOLOGIC ANTAGONISM
Makes use of the regulatory pathway
Effects that are less specific and less easy to
control
Binds to a different receptor producing an effect
opposite to that produced by the drug it is
antagonizing
Examples
Glucocorticoids catabolic effects of
increase in sugar is physiologically
opposed by insulin
Histamine causes bronchoconstriction in
asthmatic patients, opposed by
bronchodilators like salbutamol and
epinephrine
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CHEMICAL ANTAGONISM
Does not depend on interaction with the
agonist’s receptor
Drug that interacts directly with the drug
being antagonized to remove it or to
prevent it from reaching its target
Eg, protamine used to counteract the
effect of heparin making it unavailable
for interaction with proteins involved in
the formation of blood
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REAZIONE AVVERSA DA FARMACI
DEFINIZIONE DELL’OMS
(Tech Rep Serv WHO, n. 498, 1972)
Una risposta ad un farmaco che procuri danno e
che sia non intenzionale, e che si verifica alle dosi
normalmente utilizzate nell’uomo per profilassi,
diagnosi o terapia.
L’abbreviazione di Reazione Avversa da Farmaci maggiormente
utilizzata è ADR dall’inglese Adverse Drug Reaction
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REAZIONI AVVERSE DA FARMACI – Definizioni ADR SPECIFICA
La reazione ha come unica causa un determinato
farmaco e non avviene naturalmente o per altre cause.
Esempio: sindrome oculomucocutanea da practololo..
ADR ASPECIFICA
La reazione oltre che provocata da un farmaco può
avvenire naturalmente o essere provocata da altre cause.
Esempio: diarrea da antibatterici.
La quasi totalità delle ADR conosciute sono aspecifiche
Tutti i farmaci possono provocare delle reazioni avverse. Naturalmente
esistono delle differenze tra i diversi principi attivi in termini di gravità delle
reazioni, di apparati colpiti, di frequenza delle reazioni.
Frequenza delle reazioni avverse
Circa il 10% dei pazienti trattati con farmaci ha una reazione avversa
Ann Pharmacother. 2007 41(9):1411-26
Il 3-6% dei ricoveri in ospedale è dovuto ad una reazione avversa
Arch Intern Med. 2008 22;168(17):1890-6
Il 6-10% dei pazienti ricoverati in ospedale ha una reazione avversa
PLoS ONE. 2009;4(2):e4439
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Reazioni avverse da farmaci (ADR):
dimensione del problema: la mortalità
Lazarou e coll. (JAMA 1998) hanno stimato che
negli USA, nel 1994, si sono avuti 106.000 morti
(95% CI: 76.000-137.000) provocati da ADR.
Questo dato classificherebbe le ADR come la
quarta causa di morte negli USA
Pirmohamed e coll. (BMJ 2004) hanno stimato in
5.700 (95% CI: 3.800-7.600) le morti annuali da
ADR in UK a livello territoriale e in più di 10.000
le morti complessive annuali da ADR (territorio +
ospedale)
38
