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Capitolo 4 Capitolo 4
INTERAZIONI FARMACO- RECETTORE
Ovvero FARMACODINAMICA
CARATTERISTICHE DELL'INTERAZIONE FARMACO-RECETTORE
I principali parametri che caratterizzano l'interazione di un farmaco con i suoi siti di
legame specifici sono generalmente determinati attraverso gli studi di binding (legame);
tali parametri sono: la costante di dissociazione, la densità dei siti, le costanti cinetiche.
Se la formazione del complesso farmaco/recettore è una reazione reversibile ed esiste
un solo sito di legame (stechiometria 1:1), alla combinazione si può applicare la legge
degli equilibri:
R + F
k1
RF [
RF*]
k3
E
k2
L’interazione F/R non è assimilabile al concetto “chiave e serratura “ di Ehrlich e non
segue la legge del “tutto-nulla”, ma è un processo continuo legato alla concentrazione
[F] del farmaco, al numero o concentrazione dei recettori [R] nell’organo ed ai
parametri cinetici, k1 , k2 , k3 costanti di velocità. E è l’effetto biologico. Applicando la
legge degli equilibri alla dissociazione del complesso farmaco/recettore, RF  R + F,
si ha:
Kd 
[ F]  [ R ]
[ FR]
(1)
dove Kd è la costante di dissociazione F/R. L’intensità dell’effetto è data dalla seguente
relazione:
E  k 3  [FR]
[FR]  E/k 3
(2)
Il numero totale dei recettori, [Rt ], è uguale alla somma dei recettori liberi, [R], e dei
recettori combinati con il farmaco, [FR]:
[Rt ] = [R] + [FR]
(3)
L’effetto massimo, Em , è raggiunto quando tutti i recettori sono occupati, quindi, in
questa circostanza, poichè [R] = 0 , [Rt ] = [FR] e per analogia con E si ha:
Em = k3  [Rt ]
[Rt ] = Em / k3
(4)
Dalla (3) risulta che [R] = [Rt ] - [FR], sostituendo questo valore nella (1) si ottiene:
4-1
Kd 
[F]  [R t ]  [FR]  [F]  [R t ]  [F]  [FR] [F]  [R t ] [F]  [FR] [F]  [R t ]




 [F]
[FR]
[FR]
[FR]
[FR]
[FR]
Risolvendo rispetto [FR]:
[FR] 
[F]  [Rt ]
Kd  [F]
Sostituendo [FR] con il valore dato nella (2) e [Rt ] con il valore dato nella (4) si ha:
E
[F]  [ E m ] / k 3

k3
Kd  [ F]
cioè: E 
[F]  [E m ]
Kd  [F]
ovvero:
E
[ F]

E m Kd  [ F]
(5)
Nella (5) il rapporto E / Em fornisce la frazione di risposta massima ottenuta con la
concentrazione [F] di composto. Normalmente, per una serie di farmaci analoghi, si
preferisce riportare la risposta relativa ad uno standard dotato della maggior affinità per
il recettore. Attribuendo a quest’ultimo un effetto massimo pari a: E ms e, dividendo
entrambi i membri dell’equazione (5) per questo, si ottiene l’equazione di Ariens (1954):
E
E sm

Em
[F]

s
E m K d  [F]
 α
[F]
K d  [F]
(6)
dove il rapporto dell’effetto massimo fra il composto in istudio e l’effetto massimo dello
standard (Em / E ms ) viene indicato con  e rappresenta la sua attività intrinseca o
efficacia.
Per Em = E ms
=1
Per Em = 0
=0
Per Em compreso fra 0 e E ms ,
il composto si comporta da agonista puro.
il composto si comporta da antagonista,
 assume valori fra 0 e 1
e si parla di agonisti / antagonisti parziali.
Un antagonista quindi interagisce reversibilmente con il recettore (o con altri
componenti del sistema effettore) senza dare inizio essi stessi ad alcun effetto, ma così
impedisce l’azione di un agonista (endogeno) occupando i siti di legame
Queste ed altre osservazioni hanno permesso ad Ariens e coll. di interpretare l’azione
dei farmaci con la teoria dell’occupazione, secondo la quale la risposta biologica è
correlata con il numero di recettori occupati per dare complessi F/R. L’ interazione F/R
appare verificarsi in due stadi distinti:
 combinazione del farmaco con il recettore
 produzione dell’effetto.
Per il primo stadio si parla di “affinità”o potenza e per il secondo di “attività intrinseca”
o efficacia. Le caratteristiche strutturali di un farmaco contribuiscono in modo
indipendente all’affinità,A, e alla attività intrinseca, .
L’affinità, A, viene definita come l’inverso della costante di dissociazione, K d : A = 1 /
Kd.
Il valore di Kd è facile da valutare: quando il farmaco alla concentrazione [F]
raggiunge metà dell’effetto massimo, cioè E / Em = 0.5, allora la Kd deve risultare
uguale ad [F] perchè sia verificata l’Equ. (5):
4-2
E
[F]
[F]
1
 0.5 =


K d  [F] [F]  [F] 2
Em
La dose di farmaco che produce il 50% dell’effetto massimo viene indicata con la sigla
DE501.
Curve dose - effetto
La concentrazione del farmaco [F] in prossimità del recettore è in qualche modo
proporzionale alla dose somministrata. Perciò nell’equazioni precedenti la [F] può
essere sostituita, almeno concettualmente, dalla [Dose] (normalmente espressa in
Moli/kg).
Le curve dose ed effetto, espresso come percentuale dell’effetto massimo (E/E m
x 100) hanno un andamento iperbolico (Fig. 1) che male si presta per correlazioni
quantitative struttura/attività, S/A. Invece, riportando l’effetto in funzione del log [F] o di
log [dose] si ottiene una tipica curva signoide (Fig.2), la quale, per dosaggi compresi fra
il 20% e l’ 80% della dose che dà l’effetto massimo, ha linearità e pendenza
soddisfacenti per una analisi quantitativa.
Fig. 1
Fig. 2
Le curve in Fig. 3 si riferiscono a tre differenti farmaci, A B C, che hanno uguale attività
intrinseca o efficacia producendo lo stesso effetto massimo, ma, richiedendo
concentrazioni più elevate per produrlo, sono dotati di diversa potenza, A > B > C; in
altre parole B e C producono lo stesso effetti di A, ma a dosaggi superiori; questo fatto
non è limitante per il loro uso terapeutico, quando B e C siano forniti di un buon margine
di sicurezza.
La Fig.4 illustra il caso di farmaci, A B C D, dotati di diversa attività intrinseca,
decrescente da A a D, ma di uguale potenza. Quindi C non raggiunge mai il valore
dell’effetto massimo di A; tuttavia hanno la stessa affinità per il recettore (uguale
potenza) raggiungendo il rispettivo DE50 ed Em con identici dosaggi.
1
La DE50 non è da confondere con la DE50 , che è la dose che produce una determinata risposta nel
50% dei soggetti in sperimentazione.
4-3
Fig. 3
Fig. 4
Nei precedenti grafici si individuano quattro parametri fondamentali per il
confronto dei principi attivi in esame: attività intrinseca, affinità, andamento (pendenza)
e variabilità, Fig.5:
Fig. 5
Fig. 5a
La potenza o affinità è espressa dalla posizione della curva sull’asse delle dosi ed è
legata anche all’assorbimento, distribuzione, biotrasformazione, escrezione e alla
capacità di legame con i recettori. C’è da osservare che da un punto di vista
terapeutico non ha molta importanza se l’effetto sia raggiunto con 0,1 o con 1000 mg di
farmaco, purchè il farmaco sia sicuro anche ai dosaggi più elevati. Farmaci molto
potenti possono dar luogo a inconvenienti per difficoltà di somministrazione dell’esatto
dosaggio, mentre farmaci poco potenti presentano maggiori probleni: possibili danni
agli emuntori preposti per la loro eleminazione, maggiori possibilità accumulo, maggiori
4-4
costi ...L’ efficacia o attività intrinseca, valutata dall’effetto massimo, è legata
all’affinità del farmaco per il recettore. La pendenza, così come la fisionomia dell’intera
curva, rispecchia il meccanismo d’azione di un farmaco. La ripidità della curva
determina l’intervallo di dosaggi clinicamente utili La Fig. 6 illustra due farmaci con
diverso meccanismo d'azione e stessa efficacia, ma B presenta un intervallo
terapeutico più esteso: più potente ai bassi dosaggi, uguale potenza per dosaggi vicini
alla DE50 e minore potenza ai dosaggi più elevati. In presenza di effetti collaterali o
tossici la pendenza è determinante per l’indice terapeutico ed il margine di
sicurezza.(Fig.7). Il parallelismo delle curve dose-effetto è un indizio che le sostanze A
e B producono l’effetto con lo stesso meccanismo.
Fig. 7
La variabilità è la conseguenza del fatto che l’effetto di un farmaco non è mai uguale in
tutti i pazienti. La stessa dose potrebbe avere effetti più o meno intensi nei vari pazienti
(variabilità verticale ) oppure lo stesso effetto è ottenuto con dosi diverse (variabilità
orizzontale 
)
La Fig.7 illustra la curva dose/risposta del farmaco puro A e dello stesso farmaco
in presenza di concentrazioni crescenti di un suo antagonista competitivo: curve A1, A2,
A3. Si vede che A raggiunge sempre lo stesso effetto massimo, ma a dosaggi sempre
più elevati.
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9
La Fig. 9 rappresenta l’effetto dell’aggiunta di concentrazioni crescenti di un
antagonista non competitivo (curve A1, A2, A3) ad un farmaco A. In questo caso,
anche aumentando il dosaggio di A, non viene raggiunto l’effetto massimo.
La Fig. 8 si riferisce all’antagonismo parziale. Per la descrizione delle Figg. 7, 8,
9 vedi il Testo alle pagg. 31-33.
4-5
Teoria della velocità.
La teoria dell’occupazione di Ariens, che ha il grande pregio di quantificare in modo semplice il rapporto
dose/effetto, non si presta bene a dare una spiegazione delle molte complicazioni che sorgono quando si cerca di
interpretare questo rapporto. Perciò sono state introdotte numerose altre interpretazioni.
Secondo la teoria della velocità l’effetto di un farmaco è proporzionale alla velocità di combinazione
farmaco/recettore, piuttosto che al numero di recettori occupati. Un farmaco per presentare una elevata attività deve
avere non solo una elevata velocità di associazione con il recettore, ma una velocità di dissociazione ancora più
elevata, in modo da rendere velocemente liberi i siti recettoriali per una successiva combinazione con le molecole
del farmaco.
k4
R + F
k1
associaz.
k2
dissociaz.
E (Antagonista)
RF
k3
Capitolo 5
E
(Agonista)
Dove: R = recettore; F = farmaco; E = effetto.
Un agonista presenta: k2 > k1 , cioè una velocità di dissociazione F/R inferiore a quella di associazione;
perciò la fase limitante è la velocità di associazione farmaco-recettore ed aumentando la concentrazione del farmaco,
[F], si arriva all’ effetto massimo. Mentre un antagonista presenta k2 < k1 : la fase limitante è la dissociazione
F/R e aumentando [F] non si arriva mai all’effetto massimo, perchè la riduzione della risposta in questo caso è
dovuta alla non disponibilità di siti recettoriali liberi.
Questa teoria spiega meglio come in una serie di analoghi si passi gradualmente: da un agonista puro ad
un antagonista puro. Nella seguente Tabella si nota che l’allungamento della catena del residuo acilico porta alla
diminuzione dell’attività intrinseca, fino al 4^ termine; parallelamente diminuisce l’affinità ed occorrono dosi
sempre maggiori per raggiungere il 50% dell’effetto massimo (si ricorda che trattandosi di -log DE50, più e piccolo
il numero tabulato, più è elevata la dose, quindi meno attivo è il farmaco). Dopo il 5° termine, le maggiori
dimensioni di R producono degli antagonisti puri sempre più efficaci. Le dosi per inibire al 50% l’effetto massimo
(DI 50) diventano sempre più piccole con l’aumentare della lipofilia e quindi della k 1 .
[R.CO.O-CH2-CH2-N.(Me)3]+
R
HCH3CH3-CH(CH3) CHCH3-CH2-CH2CH3-CH2-CH2-CH2CH3-(CH2) 9-CHPh(Me)(CH2OH)C2-tenil-(Ph)(OH)CPh2(OH)CPh(C6H11)(OH)C-

1.0
1.0
0.9
0.4
0.3
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
-log DE50
5.2
7.0
5.0
4.1
3.8
-------
-log DI50
-----4.7
5.3
8.1
8.2
8.6
9.1
Teoria della perturbazione macromolecolare (Bellau,1964)
Un farmaco interagendo con un recettore ne modifica lo stato, che può passare da uno stato attivato ad uno
stato inattivato, o viceversa. Ciò può essere raggiunto attraverso alterazioni conformazionali e/o di distribuzione di
carica nel recettore, in modo molto simile a come substrati o cofattori interagiscono con i rispettivi enzimi.
Un agonista porta il recettore da uno stato di riposo ad uno stato attivato, gli agonisti parziali portano ad
uno stato di equilibrio riposo == attivo. Gli antagonisti possono portare ad uno stato refrattario o inattivato.
Farmaci a struttura non specifica.
Esplicano la loro azione senza l’intervento di un recettore. Agiscono con meccanismo fisico piuttosto che
chimico; quindi l’alterazione indotta è breve e facilmente reversibile. L’attività non è legata ad una struttura
particolare: composti diversi presentano gli stessi effetti.
5-6
Esempi di interazioni aspecifiche con varie funzioni biologiche sono:
 Variazioni di pH determinati da qualsiasi sotanza acida o basica.
 Variazione della concentrazione di ioni o di piccole molecole: prodotte da chelanti.
 Variazioni della permeabilità e di polarizzazione di membrana: anestetici generali e locali, ipnotici ...
Rientrano fra le interazioni aspecifiche:
 Legami farmaco proteina plasmatica (albumine o globuline).
 Legame farmaco struttura di deposito, come: acidi nucleinici, mucopolisaccaridi, trigliceridi neutri,
fosfolipidi, steroidi, glicolipidi, tessuto osseo o dentale ...
5-7