Domande aperte farmacognosia

Legame del farmaco alle proteine plasmatiche

Molto spesso il farmaco viene somministrato in un punto lontano dall’organo bersaglio. Per arrivarci, il farmaco usa il torrente circolatorio e la prima tappa del suo viaggio è l’assorbimento, ovvero la serie di processi che consentono il passaggio del farmaco nel circolo ematico. Una volta immesso nel circolo, il farmaco è in grado di diffondere nell’intero organismo: fase di distribuzione. Il passaggio ai liquidi interstiziali avviene a livello capillare e può essere influenzato dalla permeabilità del letto vascolare. La membrana basale dell’endotelio permette la diffusione di sostanze con peso molecolare uguale o inferiore all’albumina. Pertanto non passano sostanze legate a proteine plasmatiche.

Durante la fase di distribuzione, il farmaco si raggiunge i vari organi con velocità diverse per il diverso grado di irrorazione dei vasi. Inoltre, la sua concentrazione nei vari compartimenti del corpo può essere diversa da quella ematica. Un’aliquota di farmaco invece viene eliminata attraverso il rene: il farmaco raggiunge il filtro glomerulare e se non è legato a proteine plasmatiche viene immesso nella pre-urina e poi eliminato; gli elveoli; altre escrezioni quali sudore e bile.

Il legame alle proteine plasmatiche determina la velocità di eliminazione del farmaco. Alcuni farmaci possono competere con altri per il legame alle proteine plasmatiche. Per esempio, il Warfarin si lega all’albumina per il 98%. Se noi somministriamo contemporaneamente 1g di aspirina, il Warfarin sarà legato per il 96% all’albumina. Quindi la quantità di farmaco libero raddoppia.

Interazioni farmaco-recettore

Antagonisti reversibili e non reversibili, modulatori allosterici

Se agonista e antagonista competono per lo stesso sito di legame recettoriale, l’antagonismo è competitivo. Gli antagonisti competitivi possono produrre un effetto reversibile (sormontabile) o irreversibile (insormontabile).

Antagonista reversibile: in un grafico dose-risposta semi-logaritmico di un agonista, sposta parallelamente la curva verso destra. Ciò significa che, aumentando le dosi di agonista, si può generare lo stesso effetto massimo che si genererebbe in assenza di antagonista.

Antagonista irreversibile: sposta la curva dell’agonista nel grafico dose-risposta verso destra in modo non parallelo, diminuendo l’effetto massimo ottenibile. Quindi, anche aumentando le dosi di agonista, non si può ottenere lo stesso effetto massimo che si otterrebbe in assenza di antagonista.

Si definiscono modulatori allosterici i farmaci che modificano l’azione di un attivatore endogeno, o di un agonista o di un antagonista ortosterico, interagendo con un sito topograficamente distinto dal recettore stesso. Esistono due tipi di modulatori allosterici:

• Modulatori allosterici negativi (NAM): possono spostare la curva dose-risposta dell’agonista verso destra in modo non parallelo modificando l’efficacia ma non la potenza; oppure in modo parallelo modificando contemporaneamente potenza ed efficacia.
• Modulatori allosterici positivi (PAM): farmaci in grado di aumentare affinità e/o efficacia di un farmaco.

Gli enzimi come bersaglio dell’attività di farmaci

Definizione e caratteristiche degli enzimi

Gli enzimi sono catalizzatori biologici in grado di abbassare l’energia di attivazione di una reazione chimica, spostando l’equilibrio in direzione dei prodotti. Gli enzimi non sono coinvolti nella reazione. La loro funzione dipende dal gruppo prostetico che può essere una piccola molecola organica (es. eme) o uno ione (Zn²⁺). Possiedono un’elevatissima specificità e sono sensibili a pH e temperatura. Gli enzimi si legano al substrato subendo delle modificazioni conformazionali. La reazione procede con una certa velocità fino a quando l’attività del substrato disponibile non diminuisce. La cinetica enzimatica è descritta dall’equazione di Michaelis-Menten: v= Vmax x [S]/km + [S]. La sua attività è rappresentata da una curva iperbolica. È soggetta a saturazione, poiché esiste un punto in cui aumentando la concentrazione di substrato la velocità di reazione non può aumentare ulteriormente.

L’interazione tra enzima e farmaco può essere:

• Competitiva: gli inibitori competitivi competono con il substrato per il sito attivo dell’enzima. Km aumenta, Vmax resta uguale.
• Non competitiva: gli inibitori non-competitivi si legano all’enzima in un sito diverso dal sito attivo, producendo un complesso enzima-substrato-inibitore inattivo. Km non varia, Vmax diminuisce.
• Irreversibile: gli inibitori irreversibili si legano al sito attivo dell’enzima con legami covalenti formando un complesso enzima-inibitore inattivo (Vmax diminuisce).

Induzione ed inibizione degli enzimi di metabolismo dei farmaci

Descrizione del fenomeno ed esempi

INDUZIONE: Gli enzimi deputati al metabolismo dei farmaci sono quelli della superfamiglia del P450. Una caratteristica di questi enzimi è che la loro espressione aumenta all’aumentare del substrato. I substrati che possono indurre induzione del metabolismo possono essere farmaci oppure sostanze di altra natura come pesticidi, composti chimici di origine industriale o composti di origine naturale destinati all’alimentazione (es. etanolo). La maggior parte di queste molecole sono di origine lipofila, in quanto devono penetrare attraverso la membrana plasmatica per interagire con recettori nucleari situati nel citoplasma che migreranno poi nel nucleo in seguito alla loro attivazione a attiveranno la trascrizione di determinati geni bersaglio. Esempio: induzione da medicinali: il citocromo CYP3A è il più importante per il metabolismo dei farmaci. Viene prodotto in seguito all’attivazione del PXR (pregnane X receptor) che dimerizza legando l’RXR (retinoid X receptor). Il complesso attivato migra nel nucleo e aumenta la trascrizione del citocromo CYP3A4. L’antibiotico rifampicina provoca è un esempio importante di induttore di questo citocromo. Se somministrato insieme alla pillola anticoncezionale ne diminuisce l’effetto perché l’etinilestradiolo è substrato del CYP3A4. In generale, l’inibizione del metabolismo dei farmaci provoca un’alterazione della durata e dell’intensità dell’azione del farmaco, portando ad uno stato di tolleranza apparente.

INIBIZIONE: è definibile come la diminuzione dell’attività enzimatica legata a diversi meccanismi, come inibizione della sintesi di enzimi di metabolismo, inattivazione diretta di enzimi di metabolismo, formazione di complessi inattivi con enzimi di metabolismo. Quando altre sostanze competono con il metabolismo di un farmaco inibendolo, come conseguenza questo farmaco verrà metabolizzato con una velocità inferiore e aumenterà la sua concentrazione. Questi effetti possono essere tossici e condurre anche alla morte. Esempio: succo di pompelmo è inibitore del citocromo CYP3A4.

La trasmissione istaminergica

Caratteristiche e modulazione farmacologica

L’istamina è un neurotrasmettitore derivante dall’istidina. È caratterizzata da un nucleo imidazolico, assente negli altri neurotrasmettitori, che gli conferisce particolari proprietà chimiche come il tautomerismo, una proprietà che permette all’istamina di essere presente in due isoforme. Le molteplici attività biologiche dell’istamina sono attribuite all’interazione con 4 recettori: H1, H2, H3, H4. Questi recettori sono accoppiati a proteina G attraverso cui trasducono il segnale extracellulare.

L'istamina è un neurotrasmettitore derivante dall’istidina che regola un grande numero di risposte cellulari: reazioni allergiche, reazioni infiammatorie, secrezione acida. È presente nei polmoni, nella cute, nel tratto GI, nel SNC, nei mastociti, nei basofili e nei neuroni istaminergici. I recettori istaminergici sono H1, H2, H3 e H4.

• H1 è localizzato nella muscolatura liscia e nel SNC, gli effettori sono IP3 e DAG, gli agonisti 2-tiazol-etilamina e 2-metilistamina, gli antagonisti sono Mepiramina e Triprolidina ed è associato a patologie come allergie, chinetosi e insonnia.
• H2 è localizzato a livello della parete gastrica e del SNC, come effettore ha un aumentata produzione di cAMP, gli agonisti sono Imopromidina e Dimaprit, gli antagonisti Cimetidina e Ranitidina ed è associato a patologie come l'ulcera peptica.
• H3 è localizzato a livello dei polmoni e del SNC come autocettore presinaptico inibitorio, ha come effetto una diminuita produzione di cAMP e una riduzione dell'influsso di Ca²⁺, come agonista ha R--metilistamina e Imetit come antagonista Toperamide.

Le azioni dell'istamina a livello vascolare sono una dilatazione arteriolare (H1,H2), un aumento della permeabilità capillare, attività ionotropa e cronotropa positiva e una liberazione di NO da parte delle cellule endoteliali. L'iniezione a livello intradermico di istamina produce: eritema, edema locale e iperemia periferica poiché coinvolge il muscolo liscio del microcircolo, le terminazioni sensitive e l'endotelio capillare e venulare. A livello della muscolatura liscia, l'istamina provoca contrazione della muscolatura intestinale e bronchiale. A livello della muscolatura gastrica, l'istamina provoca un'attivazione della pompa H⁺/K⁺ ATPasi (H2). Nel SNC è responsabile dei meccanismi omeostatici ipotalamici come il ciclo sonno/veglia e del controllo delle emozioni, della memoria e della temperatura corporea. I farmaci attivi su H2/antagonisti di H2 sono attivi contro ulcera gastrica e ipersecrezione gastrica.

I recettori a 7 domini trans-membrana

Caratteristiche e meccanismi di trasduzione del segnale

I recettori accoppiati a proteina G sono costituiti da una catena polipeptidica che attraversa 7 volte la membrana plasmatica con un loop tra il 5-6 dominio. Possiedono inoltre un N-terminale sul versante extracellulare (binding site per il ligando) e un C-terminale sul versante intracellulare. Esistono varie famiglie di GPCR in base alla modalità con cui il mediatore chimico si lega al recettore.

• Nel caso delle catecolammine, serotonina, istamina, acetilcolina, tutti e 7 i domini transmembrana partecipano a formare una tasca per accogliere il mediatore chimico.
• Il sito di legame per TSH, LH, FSH e di ormoni peptidici di dimensioni considerevoli è l’N-terminale.
• Nel caso del glutammato e della trombina, l’attivazione è dovuta all’interazione delle regioni extracellulari del recettore con un tratto ammino-terminale del recettore stesso.

Il loop citoplasmatico è il sito di legame per la proteina G. Le GPCR sono coinvolte nella trasduzione del segnale ed il meccanismo è il seguente:

• La proteina G è formata da 3 subunità: alfa, beta e gamma. La subunità alfa è normalmente legata al GDP.
• L’attivazione della GPCR da parte di un ligando, causa una modificazione conformazionale nel recettore che viene trasmessa alla proteina G. La proteina G alfa rilascia il GDP e lega GTP staccandosi dalle subunità beta e gamma. In questo modo il GTP lega e attiva l’effettore primario. L’effettore primario solitamente è un enzima che se attivato produce sostanze solubili che trasportano il messaggio (secondo messaggero).
• La subunità alfa possiede attività GTP-asica, ovvero può idrolizzare GTP a GDP e rilegare assieme le subunità beta e gamma.

Concentrazioni intracellulari di cAMP nei meccanismi di trasduzione del segnale

Meccanismi ed effetti della sua aumentata formazione

La formazione di cAMP dipende dall’adenilato ciclasi, un enzima ubiquitario che converte ATP in cAMP. L’attività dell’adenilato ciclasi dipende da numerosi neurotrasmettitori e ormoni che interagiscono con le GPCR. Alcuni di questi recettori stimolano l’attività dell’enzima, altri la inibiscono.

• L’attivazione della proteina Gs rappresenta il principale meccanismo di stimolazione dell’adenilato ciclasi. La subunità alfa s – GTP è in grado di interagire direttamente con tutte le forme di adenilato ciclasi stimolandone l’attività. Questo provoca un aumento della concentrazione di cAMP.
• L’attivazione della proteina Gi o G0 provoca invece l’inibizione dell’adenilato ciclasi e quindi una diminuzione nei livelli di cAMP.

Il cAMP regola la PKA (proteina chinasi A). In assenza di cAMP, la PKA è formata da due subunità regolatorie e due subunità catalitiche unite a formare un complesso tetramerico inattivo. All’aumentare della concentrazione di cAMP, questo si lega alle subunità regolatorie causando il distacco di quelle catalitiche. Le subunità catalitiche sono quindi libere di fosforilare specifiche proteine, regolandone l’attività.

L’attivazione della PKA da parte del cAMP controlla svariate funzioni cellulari, quali l’attività di canali ionici, reazioni metaboliche, la trascrizione di geni specifici, l’attività cardiaca, il rilasciamento delle cellule muscolari lisce, la secrezione, il differenziamento e la proliferazione. Il cAMP non agisce solo attraverso la PKA. In alcuni casi può svolgere il ruolo di secondo messaggero anche attraverso altri meccanismi. Ad esempio, in alcuni sistemi può legarsi direttamente a canali cationici di membrana attivandoli e inducendo un flusso di Na⁺, K⁺, Ca²⁺ nella cellula. Il canale f del nodo seno-atriale è uno degli esempi più importanti di questo tipo di regolazione.

La somministrazione orale

Assorbimento, biodisponibilità, effetto di primo passaggio

Assorbimento: il meccanismo principale che controlla l’assorbimento del farmaco dal lume gastro-intestinale al sangue è la diffusione passiva. Pertanto l’assorbimento è influenzato principalmente dal coefficiente di ripartizione del farmaco e dalla sua eventuale ionizzazione. Il coefficiente di ripartizione è indice della lipofilicità/idrofilicità del farmaco. Per essere assorbito deve essere lipofilo in modo da poter attraversare le membrane, ma deve avere anche un certo grado di idrofilicità perché all’interno della cellula l’ambiente è acquoso. L’assorbimento avviene maggiormente nell’intestino tenue perché è dotato di una grandissima superficie di assorbimento. Inoltre il piccolo intestino è permeabile anche a piccole molecole, anche se hanno coefficiente di ripartizione basso. Per questi tipi di farmaci, l’assorbimento dipende soprattutto dal flusso ematico dell’intestino. Per le grosse molecole, invece, l’assorbimento è più lento e indipendente dal flusso ematico.

Nello stomaco, invece, l’assorbimento è relativamente basso perché la mucosa gastrica è poco estesa e scarsamente permeabile a molecole poco lipofile. Pertanto, lo stomaco rappresenta un sito di accumulo del farmaco che viene rilasciato all’organo assorbente, ovvero l’intestino tenue. Perciò la velocità di assorbimento dipende dalla velocità di svuotamento dello stomaco.

Biodisponibilità: per giungere alla circolazione sistemica, il farmaco deve dissolversi nel lume del tuo digerente, attraversare la mucosa gastrointestinale e, dopo essere stato immesso nel sistema portale, superare il fegato. Ciascuna di queste tappe può limitare la quota di farmaco in grado di distribuirsi nel corpo: questo concetto si definisce biodisponibilità. La biodisponibilità indica la percentuale della dose di farmaco somministrata che raggiunge effettivamente la circolazione sistemica ed è in grado di distribuirsi nel corpo.

Effetto di primo passaggio: modificazioni chimiche dei farmaci possono alterarne la biodisponibilità. Queste modificazioni possono avere luogo nel lume intestinale o a livello epatico. Spesso si tratta di formazione di complessi insolubili con costituenti alimentari o altri farmaci presenti nel lume intestinale. L’effetto sui farmaci in genere è la riduzione della loro attività. I farmaci assorbiti a livello intestinale passano per il fegato (principale organo della metabolizzazione) prima di raggiungere la circolazione sistemica. La loro cattura durante il loro primo passaggio attraverso il fegato è molto significativa e riduce notevolmente la biodisponibilità. Si parla in questo caso di effetto di primo passaggio e per alcuni farmaci questo effetto può essere così intenso da annullarne quasi totalmente l’efficacia alla dose somministrata per via orale. In questi casi, l’unica soluzione è scegliere un’altra via di somministrazione, come quella sublinguale, attraverso cui il farmaco raggiunge la circolazione sistemica attraverso la vena cava superiore senza passare per il fegato.

Concetti generali sull’eliminazione dei farmaci

L’eliminazione di un farmaco avviene per escrezione o per biotrasformazione. Le principali vie di eliminazione sono quella renale, biliare e polmonare. I sistemi di eliminazione seguono generalmente una cinetica di primo ordine (quando il sistema non è soggetto a saturazione), ovvero una frazione costante di farmaco (k_e) viene eliminata nell’unità di tempo. Una volta che il farmaco si è distribuito ai tessuti, la quantità di farmaco presente nell’organismo è data da V_d * C_p (volume apparente di distribuzione * concentrazione plasmatica). Perciò la quantità di farmaco eliminata nell’unità di tempo sarà uguale a Q_e=k_e*V_d*C_p.