Presentazione di PowerPoint

RECETTORI
Interazioni farmaco-recettore
La maggior parte dei farmaci interagisce con siti
specifici delle macromolecole (componenti della membrana
cellulare, enzimi, proteine) mediante interazioni
fisico-chimiche e steriche esatte tra specifici gruppi
chimici del farmaco e specifici siti della proteina.
Questi siti sono detti RECETTORI
Interazioni farmaco-recettore
Il binding di un ligando a un
recettore causa una risposta
positiva o negativa.
Una risposta positiva può
essere o un immediato effetto
fisiologico (apertura di un
canale ionico) oppure una serie
di eventi biochimici che portano
al rilascio di “secondi
messaggeri”.
Essi a loro volta promuovono
una nuova sequenza di eventi
biochimici che generano una
appropriata risposta biologica.
Ligando e recettore
N(CH3)2
N(CH3)2
Legame idrofobico
Legame dipolo-dipolo
O
O
O2N
O
N
Complesso con trasferimento
di carica
HO
Interazione ione-dipolo
H
Legame idrogeno
Cl
NH2
+
N
COO-
Legame ionico
HO
Esempi di alcune comuni forme di legame trovate nelle interazioni
farmaco-recettore
Ligando e recettore
Legame covalente:
è di gran lunga il più forte dei legami ligando-recettore.
Forma un legame irreversibile. Raramente viene cercato nell’azione di un
farmaco (eccezione: chemioterapici nel trattamento del cancro)
Legame ionico o elettrostatico:
è molto importante nelle interazioni ligando-recettore in quanto molti gruppi
funzionali dei recettori sono ionizzati a pH fisiologico.
Si formano interazioni reversibili.
Interazioni elettrostatiche:
in forma di forze attrattive ione-dipolo, interazioni dipolo-dipolo e legame H.
Formano legami più deboli del legame ionico.
Sono le interazioni ligando-recettore più diffuse.
Ligando e recettore
Complessi a trasferimento di carica:
si formano quando un gruppo elettron donatore è adiacente a un gruppo
elettron accettore. Il parziale trasferimento di carica crea un debole
legame elettrostatico.
I donatori sono specie ricche di e- p e gruppi chimici con doppietti
elettronici.
Legame idrofobico:
legame molto debole che si forma quando parti non-polari delle molecole
interagiscono in un ambiente privo di acqua.
Si crea un abbassamento dell’energia del sistema e, quindi, una struttura più
stabile.
Forze dispersive di London:
deboli interazioni dipolo-dipolo dovute alla formazione di dipoli transienti in
una struttura.
I dipoli transienti sono tempo-dipendenti e si formano a causa della
variazione nel tempo della distribuzione elettronica nelle molecole.
Ligando e recettore
Farmaco
Farmaco-Recettore
Il legame è dipendente dalla concentrazione [C] del farmaco:
man mano che [C] aumenta nei fluidi extracellulari, l’equilibrio si sposta a
destra e il farmaco si lega al recettore.
Quando [C] diminuisce, a causa del metabolismo e dell’escrezione, l’equilibrio
si sposta verso sinistra e il complesso si dissocia.
A basse concentrazioni un basso numero di recettori è impegnato dal
ligando.
I farmaci con lunga durata d’azione sono quelli che formano legami
stabili con il recettore.
Classificazione dei recettori
Tipi di recettori
Classificazione dei recettori
A) Recettori intracellulari
Ligandi endogeni: ormoni steroidei, ormoni della tiroide, vitamine (Vit. D e acido
retinoico)
Esempi: Ormone antidiuretico (ADH) o recettori della vasopressina
(sostanze lipofile in grado di attraversare la membrana plasmatica)
I recettori sono collocati nel nucleo cellulare.
Proteine (400-1000 aa) con una sequenza comune di circa 60 aa contenente
2 loops di 15 residui di aa noti come “zinc fingers”, in quanto ogni loop nasce
da 4 Cys coordinate a un atomo di Zn.
Classificazione dei recettori
Una volta formato il complesso
ormone-recettore avviene un
cambiamento conformazionale
che porta il complesso nel nucleo
dove si lega al DNA.
La risposta è un aumento
dell’attività RNA polimerasica e
dunque produzione di mRNA
specifico che, controllando la
sintesi di una specifica proteina,
dà origine alla risposta cellulare.
Classificazione dei recettori
Tipi di recettori
Classificazione dei recettori
B) Recettori legati a canali ionici
Ligandi endogeni: neurotrasmettitori
Esempi: nAChR (recettori colinergici nicotinici), recettori noradrenergici
Proteine di membrana con le zone C- e N-terminali extracellulari.
4 o 5 subunità intramembrana che circondano un poro centrale.
Ciascuna subunità è formata da 20-25 aa in forma di a-elica.
Residui di zuccheri sono attaccati alla catena N-terminale ma non sono
coinvolti nell’attività recettoriale.
I canali ionici “Voltage gated” sono attivati da alterazioni nel voltaggio
di membrana.
Ad es. i canali del sodio (Na+) si aprono quando la membrana viene depolarizzata
ad un potenziale basale ed essi stessi contribuiscono all’ ulteriore
depolarizzazione permettendo l’entrata di Na+ nella cellula.
Classificazione dei recettori
I canali ionici “Ligand gated” sono attivati dal binding di specifici ligandi o
farmaci al recettore.
Molti neurotrasmettitori e farmaci attivano i canali ionici Ligand gated,
tra cui molti tipi di recettori del glutammato.
Classificazione dei recettori
Classificazione dei recettori
Classificazione dei recettori
Tipi di recettori
Classificazione dei recettori
C) Recettori accoppiati alle Proteine G
Ligandi endogeni: ormoni e trasmettitori “lenti”.
Il recettore è accoppiato al sistema effettore mediante la proteina G.
Esempi: recettori colinergici muscarinici, noradrenergici e 7TM-GPCRs.
Singola catena polipeptidica formata da 400-500 aa.
Parte N-terminale extracellulare, parte C-terminale intracellulare.
La struttura del recettore include un dominio trans-membrana
a 7 eliche raggruppate attorno a un “pocket” centrale che
si pensa contenga il sito attivo del recettore.
Classificazione dei recettori
Elevata amplificazione del segnale biologico grazie all’attivazione delle
proteine G che, a loro volta, attivano canali ionici o, più comunemente,
altri enzimi (es. Adenilato ciclasi) causando l’attivazione di altri enzimi (es. PKA)
Questo sistema di amplificazione, che implica un’ estensione della durata
dell’attivazione della proteina G rispetto al legame del farmaco al recettore,
spiega perché gli effetti farmacologici massimali si osservano quando ormai
solo una piccola porzione di recettori è attivata.
Classificazione dei recettori
Classificazione dei recettori
Le proteine G, che trasducono il segnale
dai recettori, contengono 3 subunità,
a, b, e g. Le subunità b e g sono legate
covalentemente a lipidi di membrana.
Quando il recettore è libero,
la sottounità a della proteina Gs (Gsa)
lega il GDP ed è associata alle subunità
b e g.
Il GTP viene idrolizzato ed
il complesso Gsa-GDP si dissocia
dall'adenilato ciclasi e si riassocia
alle subunità Gsbg.
Il legame con l'ormone
induce un cambiamento
conformazionale nel
recettore.
Il recettore si lega alla
subunità Gsa.
Il legame del recettore
induce un cambiamento
conformazionale in Gsa.
Il GDP si stacca e viene
sostituito da una molecola di
GTP.
Il complesso attivo Gsa-GTP
dissocia dalle subunità Gsbg.
Il complesso Gsa-GTP
interagisce con l'adenilato
ciclasi che attivata catalizza
la sintesi del cAMP; l'ormone
si dissocia dal recettore.
Classificazione dei recettori
Tipi di recettori
Classificazione dei recettori
D) Recettori legati a enzimi
Ligandi endogeni: insulina e fattori di crescita.
Il recettore è accoppiato a una tirosin chinasi.
Esempi: recettori dell’insulina.
Caratterizzati da un solo dominio di transmembrana per subunità
di proteina. La subunità è legata ad ampi domini extra e intracellulari.
I domini extracellulari sono vari e dipendono dalla natura dei ligandi endogeni.
Tutti i domini intracellulari contengono un residuo tirosin chinasico
come parte integrante della struttura.
Per l’espressione dell’attività enzimatica è necessaria la dimerizzazione dei
recettori attivati causa del cambiamento conformazionale richiesto.
I residui di tirosina fosforilati agiscono come siti di legame per specifiche
proteine intracellulari che hanno in comune una sequenza conservata di circa
100 aa, chiamata “SH2 domain”, probabilmente la zona responsabile
delle successive risposte intracellulari.
Classificazione dei recettori
Teoria e assunzioni delle interazioni
farmaco-recettore
La combinazione o il legame a un recettore causa eventi che portano
a una risposta.
La risposta a un farmaco è “dose-dipendente”.
L’interazione farmaco-recettore segue semplici relazioni di
“massa-azione”, cioè una sola molecola di farmaco occupa un sito
recettoriale e l’interazione è reversibile.
Dato un farmaco, l’ampiezza della risposta è direttamente
proporzionale alla frazione di siti totali del recettore occupati
dalle molecole di farmaco (Teoria dell’occupazione – Clark, 1920 ca.).
Teoria e assunzioni delle interazioni
farmaco-recettore
Si assume che il numero di molecole di farmaco sia molto maggiore del
numero di siti recettoriali disponibili.
La combinazione di un farmaco con il recettore produce una specifica
risposta .
TEORIA DEL “LOCK AND KEY”
Le interazioni farmaco-recettore sono analoghe alle interazioni enzimasubstrato. Per lo più si applicano gli stessi principi.
Ligandi endogeni diversi possono interagire sullo stesso recettore
[ad es. enkephalin (pentapeptide) e morfina agiscono entrambi sui
recettori analgesici a dare effetto analgesico puro (enkephalin) o
effetto narcotico (morfina)].
Alcuni farmaci agiscono senza interagire con specifici recettori
(farmaci non strutturalmente specifici; ad es. gli anestetici gassosi).
Teoria e assunzioni delle interazioni
farmaco-recettore
La maggior parte delle interazioni farmaco-recettore
può essere descritta con un’equazione analoga all’equazione
di Michaelis-Menten usata per descrivere le interazioni
enzima-substrato.
Teoria e assunzioni delle interazioni
farmaco-recettore
Teoria e assunzioni delle interazioni
farmaco-recettore
Anche se la teoria di Clark è ancora una pietra miliare nella
farmacodinamica, alcune delle sue assunzioni si sono dimostrate
non corrette:
1) La formazione di alcuni complessi farmaco-recettore non è
reversibile;
2) I siti recettoriali non sono sempre indipendenti;
3) La formazione di un complesso può non essere bimolecolare;
4) La risposta massimale può avvenire prima che tutti i siti vengano
occupati;
5) La risposta non è correlata in maniera lineare alla porzione di
recettori occupati, soprattutto nel caso di agonisti parziali.
La curva Log Dose-Risposta
Tipica curva Log Dose-Risposta
Le curve log dose-risposta vengono usate durante lo sviluppo
preclinico per comparare la potenza (in termini di ED50) di analoghi
differenti rispetto al lead compound.
La curva Log Dose-Risposta
Vantaggi nell’espressione in termini di log rispetto alla risposta:
• La relazione dose-risposta viene espressa come una linea quasi
diritta in un ampio range di dosi del farmaco saggiate;
• Un ampio range di dosi può essere riportato su un singolo
grafico, permettendo così un facile confronto tra farmaci diversi;
• L’uso delle curve log dose-risposta permette il confronto tra
farmaci diversi che producono la stessa risposta.
Teoria e assunzioni delle interazioni
farmaco-recettore
Teoria di Ariens e Stephenson:
Un recettore svolge la sua azione in due steps successivi:
- binding del ligando al recettore;
-inizio della risposta biologica, determinato dall’abilità del complesso
ligando-recettore a iniziare la risposta biologica.
La capacità di dar luogo a una risposta biologica venne definita con
i concetti di “attività intrinseca” (a) e “efficacia” (e).
Stephenson introdusse il concetto che il binding di un ligando al
recettore produce uno stimolo (S) correlato alla risposta.
La massima risposta recettoriale si ottiene quando solo una porzione
dei recettori è occupata.
Per antagonisti puri e = 0, mentre per agonisti e agonisti parziali si
hanno valori positivi.
Più alto è il valore di e, maggiore è la risposta e minore la dose
necessaria per avere la risposta massimale.
Terminologia
Termini che indicano l’abilità di un farmaco
a produrre una risposta:
1) Efficacia
2) Potenza
3) Attività intrinseca (a) (Ariens, 1950’s):
a
Emax di un farmaco
Emax dell' agonista più attivo nella stessa serie struttural e
a=1; ligandi con uguali affinità per il recettore
a= 0; il drug è un antagonista puro
0<a<1; parziali agonisti
Terminologia
Termini che indicano l’abilità di un farmaco
a legare il recettore:
1) Potenza
2) Affinità
3) Kd o ED50 (corrispondente alla Km in analogia con
Michaelis-Menten)
Terminologia
Agonisti (o Agonisti Puri):
Farmaci che occupano i recettori e causano una
risposta piena o praticamente massimale.
La risposta massimale è di solito definita come
quella prodotta dagli agonisti più potenti, o
quella prodotta da un farmaco “classicamente”
associato alla risposta.
Terminologia
Agonisti Parziali:
Farmaci che occupano i recettori ma causano una
risposta inferiore a quella massima.
Ciò vuol dire che queste molecole sono meno
potenti e che l’occupazione del 100% dei siti
recettoriali provoca una risposta inferiore al
100% (in analogia con gli enzimi, corrispondono ai
substrati con una Vmax più bassa)
Terminologia
Antagonisti:
Farmaci che occupano o provocano cambiamenti
nel recettore, ma non causano alcuna risposta
recettoriale.
L’occupazione del recettore da parte di un
antagonista interferisce con l’occupazione da
parte dell’agonista.
Meccanismi delle interazioni
farmaco-recettore
Antagonismo Competitivo:
L’antagonista compete in modo reversibile per o spiazza
l’agonista dal recettore.
Poiché l’occupazione da parte di un antagonista non produce
alcuna risposta, l’azione dell’agonista è dunque bloccata.
Tuttavia alte concentrazioni di agonista possono ripristinare
la situazione precedente e dare luogo alla risposta
recettoriale.
Meccanismi delle interazioni
farmaco-recettore
Antagonismo Competitivo:
In presenza di un antagonista competitivo, non c’è alcun
cambiamento nella risposta massimale.
La curva dose-risposta è spostata verso più alte
concentrazioni del farmaco.
L’apparente potenza del farmaco è ridotta in presenza
di un antagonista competitivo.
Meccanismi delle interazioni
farmaco-recettore
Antagonismo Competitivo:
L’efficacia di un antagonista dipende dalla sua affinità
per il recettore rispetto all’affinità dell’agonista.
La situazione è esattamente analoga a quanto
si verifica nell’inibizione enzimatica e si applicano le
stesse relazioni matematiche.
Meccanismi delle interazioni
farmaco-recettore
Meccanismi delle interazioni
farmaco-recettore
Meccanismi delle interazioni
farmaco-recettore
Antagonismo non-competitivo:
L’antagonista può legarsi al recettore in un sito diverso
vicino a quello dell’agonista.
Il sito di legame può essere abbastanza vicino da
sovrapporsi al sito di legame agonista-recettore in modo
da nasconderlo all’agonista.
Oppure il sito di binding dell’antagonista può essere
vicino al sito attivo e può causare un cambiamento
conformazionale che impedisce il legame dell’agonista.
Meccanismi delle interazioni
farmaco-recettore
Antagonismo non-competitivo:
L’antagonista non-competitivo modifica il recettore
diminuendo l’efficacia dell’agonista o bloccandolo
completamente.
La potenza di un antagonista non-competitivo dipende
dalla sua affinità verso il binding site ed è indipendente
dalla dose e dall’affinità relativa dell’agonista.
Meccanismi delle interazioni
farmaco-recettore
Antagonismo non-competitivo:

La concentrazione alla quale un antagonista esibisce la metà del suo
effetto massimo è nota come IC50.

IC50 è una misura dell’affinità del drug per il recettore in condizioni
appropriate.

Più IC50 è basso, maggiore è l’affinità per il recettore.

IC50 viene usato nello sviluppo di un nuovo farmaco per comparare
affinità/potenza di una serie di molecole che si legano allo stesso
recettore e inibiscono la stessa risposta biologica.

I valori vengono determinati in vitro /in vivo e vengono usati per
determinare la dose da usare nei trials preclinici.
Meccanismi delle interazioni
farmaco-recettore
L’antagonista
non-competitivo si lega in
maniera irreversibile,
anche mediante legami
covalenti, con i siti
allosterici del recettore.
L’effetto è quello di
eliminare una frazione
del numero totale di
recettori dalla
possibilità di
esibire una risposta.
Meccanismi delle interazioni
farmaco-recettore
Tipica curva dose-risposta
di un farmaco in presenza di
quantità crescenti di
antagonista non-competitivo
Meccanismi delle interazioni
farmaco-recettore
Agonista Parziale:
Molecola che può agire sia come agonista che come
antagonista verso lo stesso recettore.
Come antagonista blocca il binding dell’agonista al sito
attivo ma, contemporaneamente, provoca una debole
attivazione del recettore.
Il risultato è che la dose di agonista necessaria per avere
la risposta massima è più alta e che la stessa risposta è
comunque inferiore a quella che si avrebbe con agonisti
puri.
Meccanismi delle interazioni
farmaco-recettore
Agonista Parziale:
Due possibili spiegazioni:
1) La molecola si lega in due modi diversi al recettore.
In un’orientazione agisce da agonista, nell’altra da
antagonista.
Il risultato è che l’attività del recettore
dipende dalla frazione di siti occupati dalla
molecola nelle due diverse orientazioni.
Meccanismi delle interazioni
farmaco-recettore
Agonista Parziale:
2) L’agonista parziale interagisce con il recettore in modo
non ottimale, per cui il binding non causa un
cambiamento conformazionale tale da permettere una
trasmissione completa del segnale.
Il cambiamento conformazionale è
sufficiente per una risposta parziale.
Meccanismi delle interazioni
farmaco-recettore
Desensibilizzazione:
Ripetute esposizioni di un recettore alla stessa
dose di farmaco possono portare a una riduzione
della risposta.
E’ come se il farmaco, che inizialmente si comporta
da agonista puro, diventasse un agonista parziale
a causa dell’uso ripetuto.
Questo fenomeno è detto anche TACHIFILASSI
Drug action e design
AGONISTI:
Strutture simili a quelle dei ligandi endogeni.
La progettazione di nuovi agonisti parte dalla struttura del ligando
endogeno o da quelle parti della struttura (farmacoforo) che interagiscono
con il recettore.
La natura dei gruppi funzionali non è il solo fattore che influenza l’attività
dell’agonista.
Il farmaco deve avere anche forma e dimensioni adatte al legame con il
recettore.
L’approccio generale è l’uso della struttura del ligando endogeno
come modello.
Le informazioni sulla migliore forma di un agonista possono essere
ottenute da studi conformazionali su analoghi attivi del ligando
endogeno.
Drug action e design
ANTAGONISTI:
Agiscono inibendo il recettore e vengono usati per ridurre l’effetto di un
ligando endogeno.
Anche i farmaci sono classificati come competitivi o non-competitivi, in base
alla natura del binding con il recettore.
Generalmente non hanno strutture simili a quelle dei ligandi endogeni.
La progettazione di nuovi antagonisti parte dalle informazioni strutturali sul
recettore (molecular modelling).
Quando non è nota la struttura del recettore il punto di partenza è la
conoscenza della struttura e della stereochimica sia del ligando endogeno che
di agonisti e antagonisti già noti.