RECETTORI

Questi siti sono detti 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 Legame idrofobico Interazione ione-dipolo Legame dipolo-dipolo Complesso con trasferimento di carica Legame idrogeno Legame ionico Esempi di alcune comuni forme di legame trovate nelle interazioni farmaco-recettore

Ligando e recettore Legame covalente: Legame ionico o elettrostatico: 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 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 Il legame con l'ormone induce un cambiamento conformazionale nel recettore. 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 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. Il GTP viene idrolizzato ed il complesso Gsa-GDP si dissocia dall'adenilato ciclasi e si riassocia alle subunità Gsbg.

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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 DEL “LOCK AND KEY” 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 enzima- substrato. 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: La formazione di alcuni complessi farmaco-recettore non è reversibile; I siti recettoriali non sono sempre indipendenti; La formazione di un complesso può non essere bimolecolare; 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: Efficacia Potenza 3) Attività intrinseca (a) (Ariens, 1950’s): 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: Potenza 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.

Antagonismo Competitivo: 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.

Antagonismo Competitivo: 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.

Antagonismo 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

Antagonismo non-competitivo: 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.

Antagonismo non-competitivo: 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.

Antagonismo non-competitivo: 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

Agonista Parziale: Meccanismi delle interazioni farmaco-recettore 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: 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.

Desensibilizzazione: 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.