Teoria classica dell’occupazione recettoriale
Descrive le relazioni quantitative tra la concentrazione di
farmaco e la risposta che risulta dalla interazione tra il farmaco ed il recettore
Teoria di Clark dell’interazione farmaco-recettore
AJ Clark è stato il primo ad applicare concetti matematici
mutuati dalle cinetiche enzimatiche (vd legge di azione di massa) agli effetti delle sostanze sui tessuti
Clark è considerato l’inventore della teoria recettoriale (1937).
Un agonista una sostanza che si lega al recettore inducendo una risposta biologica
A + R AR stimulus response
A + R AR stimulus response
Ka
Ka =
[AR]
[A] X [R]
Ka = costante di associazione
KA= 1/Ka KA = costante di dissociazione
KA = concentrazione che satura il 50% dei siti recettoriali KA = AFFINITA’
Response = [A]
[A] + [KA]
Equazione di Clark
la costante di dissociazione di un agonista KA può essere calcolata direttamente dalla curva dose risposta.
Per la teoria di Clark quindi KA = EC50.
pD2 = - log EC50
Potenza di un agonista
10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 0
50 100
Log [A]
effetto %
Ne consegue che:
• La risposta osservata ad una data concentrazione di farmaco corrisponde all’occupazione di una frazione dei recettori
all’equilibrio
• La risposta massima si ottiene con l’occupazione di tutti i recettori
Clark distingue tra la capacità di legare (AFFINITA’) e la capacità di stimolare (EFFICACIA), concetto poi raffinato da Ariens.
Due assunti (non verificati sperimentalmente)
1. Massima risposta al farmaco è pari alla massima risposta del tessuto
2. La relazione tra occupazione recettoriale e risposta è lineare
Teoria di Ariens (1954)
Ariens, come altri, si rese conto che in una serie di
analoghi non tutti causavano una risposta massimale e alcuni si comportavano da antagonisti quando
somministrati insieme a agonisti pieni (avevano cioè un comportamento «dualista», misto agonista/antagonista) Ariens introdusse il concetto di attività intrinseca (α)
La risposta biologica E= α x DR, dove
DR è la conc dei complessi farmaco-recettore Quindi l’attività intrinseca è l’effetto per unità di complesso farmaco-recettore
La risposta biologica dipende da:
Affinità (capacita di un farmaco di legarsi al recettore) espressa dalla costante di
dissociazione KA
Attività intrinseca (a), definita come la capacità di indurre una risposta biologica.
Il limite è che lega la attività intrinseca al particolare sistema in cui noi la misuriamo.
Ariens mantiene il principio della teoria di Clark che per avere una risposta massima bisogna occupare tutti i recettori
a si misura confrontando la sostanza in esame con una sostanza che determina la risposta
massimale nel tessuto
Agonisti pieni a=1 Antagonisti a=0
Dualisti (ago parziali) 0<a<1
a= effetto max agonista
effetto max agonista pieno
Teoria di Stephenson (1956)
Stephenson osservò che le curve dose-risposta erano più ripide di quanto atteso dalla legge di azione di massa.
Tre principi:
• La risposta farmacologica non è linearmente proporzionale al numero di recettori occupati
• L’effetto massimo può essere ottenuto anche occupando un numero minimo di recettori
• Farmaci differenti possono dare la stessa risposta pur occupando un numero differente di recettori, da cui il termine di efficacia.
Per Stephenson l’efficacia è una proprietà del ligando.
Stephenson conia il termine di agonisti parziali, per definire i ff dualisti
log [agonista]
Effetto massimo percentuale (%)
Concetto di recettore di riserva (spare receptors)
Agonista: Piccole dosi di farmaco causano effetti massimali
Antagonista: Devono essere occupati un certo numero di recettori per osservare l’effetto desiderato
Quindi KA misura l’affinità mentre EC50 la potenza di un agonista. I due valori possono essere molto diversi.
Modifica di Furchgott (1966)
Furchgott separò la componente dell’efficacia
derivante dal tessuto, dalla componente dell’efficacia derivante dall’interazione agonista-recettore.
Furchgott introdusse il concetto di «efficacia
intrinseca» (ε) come lo stimolo unitario per recettore occupato.
Anche il concetto di efficacia di Furchgott è legato al tessuto dove la si misura
L’efficacia è il prodotto dell’efficacia intrinseca per il numero di recettori occupati
Teoria classica dell’occupazione recettoriale
• A + R AR stimulus response
Lo stimolo indotto alla cellula è funzione di:
1. Frazione di recettori occupati
(data dalla concentrazione del farmaco x l’affinità KA) 2. attività intrinseca (a)
3. numero di recettori (densità recettoriale)
Le caratteristiche del tessuto trasformano lo stimolo in risposta biologica mediante effettori biochimici.
Queste caratteristiche variano a seconda della cellula e possono cambiare il profilo di un agonista
Nel tempo il concetto di efficacia è andato raffinandosi.
Tecniche più complesse e raffinate hanno permesso di visualizzare complessi comportamenti del recettore.
Il recettore non una entità statica ma si trova in
equilibrio tra diverse conformazioni e stati energetici Inoltre, gli studi sulle proteine G hanno permesso di evidenziare che non c’è una unica efficacia ma
l’agonista può alterare diverse vie di trasduzione (efficacia pluridimensionale; es ligandi funzionali o biased ligands)
Black and Leff (1983). Operational model
Introducono il concetto di t, cioè l’efficienza con cui
l’occupazione recettoriale è trasdotta in effetto biologico t =[Rt]/KE
Rt è la conc totale dei recettori nel tessuto
KE definisce l’efficienza con cui il recettore attivato interagisce con il sistema che evoca la risposta
t incorpora la capacità di una molecola di indurre una risposta (efficacia) e l’abilità del tessuto di tradurre la stimolazione dell’agonista in risposta biologica
Modello a due stati
Il recettore si trova in diversi stati energetici, il cui equilibrio è regolato da una costante allosterica L.
Quando L>1 c’è una grande quantità di recettore attivato spontaneamente.
Più L è basso meno il sistema è responsivo
L’agonista manifesta una diversa affinità verso i due stati
γ = differenza in affinità
causata dal cambiamento dello stato conformazionale
Principali differenze con la teoria occupazionale
• Meccanismo molecolare per spiegare l’efficacia di un agonista come affinità selettiva verso la conformazione attiva del recettore.
• Attività spontanea del recettore (rapporto tra le due specie, cioè il valore di L) può alterare la risposta all’agonista. Curva a campana.
• Ci possono essere agonisti negativi (L<1) che inibiscono l’attività basale di recettori
costitutivamente attivi
• Costa and Hertz (1989): l’efficacia diventa vettoriale.
• Scoperti GPCR «costitutivamente» attivi, e
agonisti che producono effetti inibitori (agonisti inversi)
• I GPCR sono entità spontaneamente attive.
• Cambia il concetto di efficacia (prima
considerata solo stimolatoria: quindi l’efficacia è la proprietà di una molecola di stimolare un
recettore a cambiare il suo comportamento verso la cellula
• Il modello di selezione conformazionale appare più solido (stati di energia elevati per indurre un cambiamento
conformazionale, temp di attivazione
elevati) rispetto al modello di «induzione conformazionale», e supportato da
evidenze sperimentali (stato attivo
spontaneo, in assenza di ligando)
Modello del complesso ternario
• I GPCR sono proteine allosteriche
designate per trasmettere l’informazione attraverso cambiamenti nella struttura
terziaria.
• Quindi l’agonista produce un cambiamento conformazionale nella struttura terziaria in modo da indurre un effetto biologico
(«stato attivo»)
Come lo stato attivo trasferisce l’informazione a livello cellulare?
Un modello ternario (recettore + farmaco + prot G) meglio rappresenta la situazione del recettore
accoppiato alle proteine G.
Meccanismo di tipo allosterico in cui lo stato attivo manifesta una diversa reattività verso le proteine di segnalazione. Il farmaco è un modulatore allosterico
L’efficacia è funzione di a e g
-12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 0
50 100 150 200
E
Agonista pieno Agonista parziale
Agonista inverso pieno Agonista inverso parziale Antagonista
log [F], nM
% basale
AGONISTI E ANTAGONISTI
Curva dose-risposta
• L’effetto di un farmaco o di un tossico è funzione della dose somministrata (almeno in un certo
intervallo di dosi)
• E’ fondamentale, quindi, ai fini della valutazione della efficacia terapeutica e della tossicità, la quantificazione degli effetti in vitro ed in vivo, cioè l’individuazione delle curve concentrazione-
risposta (vitro) o dose-risposta (vivo)
Relazione dose-risposta quantale
In ascissa è riportato il log della dose In ordinata:
Percentuale dell’effetto (a) Frequenza dell’effetto (b) Unità probit (c)
a
b
c
I parametri caratterizzanti la relazione dose-risposta:
1. risposta massima (Emax);
2. dose/concentrazione che produce un effetto pari al 50% di Emax (ED50
oppure EC50);
3. minima concentrazione alla quale si ha un effetto (dose soglia);
4. Dose alla quale si produce ED50/EC50 (potenza) 5. pendenza della curva (o della retta).
Emax
EFFICACIA
Dose soglia Log dose
ED50 o EC50
POTENZA
Agonista pieno: max stimolazione. Attività intrinseca a =1 Agonista parziale: stimolazione intermedia 0 < a <1
Antagonista a = 0
Vantaggi e svantaggi di una agonista parziale:
• vareniclina
• buprenorfina
• aripiprazolo
• SERM
Log Dose
1 10 100
Risposta
0 20 40 60 80 100 120 140 160
DE50-B
Dosi soglia Emax
DE-A
Confronti tra curve dose-risposta
Curve dose-risposta parallele: DE50 e dosi soglia diverse, uguale pendenza
Log Dose
10 100
Risposta
0 20 40 60 80 100 120 140 160
A B
DE50 A
DE50 B Emax
Esempio di curve dose-risposta graduali non parallele:
DE50 diverse, dosi soglia uguali pendenze diverse
Per i farmaci è utile confrontare le curve di efficacia
terapeutica (ED) con le curve di tossicità (TD) e letalità (LD)
• Indice terapeutico: DL
50/DE
50. E’ un
indice approssimativo della sicurezza di un farmaco; non tiene conto delle
pendenze delle curve
• Margine di sicurezza: DL
1/DE
99. E’ un
indicatore migliore della sicurezza del
farmaco.
Indice terapeutico e Margine di sicurezza
Esempio di farmaci con diversa finestra terapeutica
A B
recettore
(ortosterici)
39 ANTAGONISMO COMPETITIVO
antagonista competitivo:FARMACO CHE BLOCCA L’AZIONE DI UN AGONISTA LEGANDOSI REVERSIBILMENTE CON IL SUO STESSO
RECETTORE, SENZA PERTURBARLO. E’ DOTATO DI AFFINITA’ PER IL RECETTORE, MA E’ PRIVO DI ATTIVITA’ INTRINSECA
CON UNA DOSE ADEGUATA DI AGONISTA, E’ SEMPRE POSSIBILE RAGGIUNGERE L’EFFETTO MASSIMO (l’antagonismo è sormontabile)
è come se cambiasse l’affinità dell’agonista
40 ANTAGONISMO COMPETITIVO
La potenza di un antagonista competitivo si indica con pA2, che rappresenta il logaritmo negativo della concentrazione di antagonista che determina il raddoppio della dose di agonista necessaria per ottenere un determinato effetto.
(Schild plot)
• La potenza di un antagonista competitivo si esprime mediante il pA
2ovvero il log negativo della conc di antagonista per la quale è necessario moltiplicare per 2 volte la conc di ago per ottenere lo stesso
effetto biologico (vd anche pA
10)
A
B
43
ANTAGONISMO NON COMPETITIVO
Sostanza in presenza della quale l’agonista non può più ottenere l’effetto massimale (il blocco è insormontabile)
POSSIBILI MECCANISMI INIBIZIONE ALLOSTERICA
FORMAZIONE DI LEGAME COVALENTE CON IL RECETTORE (fenossibenzamina)
concentrazione di antagonista = 0
concentrazione di antagonista = 1
concentrazione di antagonista = 2
La potenza di un antagonista non competitivo si può indicare con IC50, che rappresenta la concentrazione di antagonista che inibisce del 50% l’Emax dell’agonista
• Modulatori allosterici
– Modulatori positivi e negativi
A
B
+ _
46
“ANTAGONISMO” FUNZIONALE
SONO IN REALTA’ DUE AGONISTI CHE MODIFICANO IN SENSO OPPOSTO UNA FUNZIONE, agendo su diversi meccanismi (es recettori)
stimolazione β rilasciamento muscolatura liscia bronchiale stimolazione muscarinica contrazione muscolatura liscia bronchiale
diuretici (aumentano l’eliminazione di Na+ e riducono la
volemia) e FANS (bloccando l’azione delle PG a livello renale aumentano il riassorbimento di Na+ e la volemia)
