Farmacologia Generale e Farmacoterapia 1

Farmacologia generale e farmacoterapia A.A. 2018/2019

Autore: Luisa Curlacci

Introduzione

La farmacologia è la scienza che studia le interazioni tra farmaco e organismo in grado di determinare effetti terapeutici. Per farmaco si intende qualsiasi sostanza che, introdotta nell’organismo, sia capace di indurre, mediante le sue azioni chimiche, cambiamenti dei processi biologici tali da modificare le funzioni di cellule e organi. Le modificazioni si definiscono:

• Modificazioni favorevoli: si parla di medicamento.
• Modificazioni dannose: si parla di farmaco tossico, quando esso è dannoso a dosi elevate, o di veleno quando è dannoso a qualsiasi dose, anche minima.

Un farmaco può essere di origine naturale, quando ad esempio è di natura estrattiva, oppure di origine sintetica quando esso è sintetizzato in laboratorio e non esiste perciò come tale in natura.

I farmaci, infine, interagiscono con le cellule mediante:

• Recettori di membrana e intracellulari.
• Antagonisti chimici: interagiscono con molecole di acqua piuttosto che con la cellula stessa, come ad esempio i diuretici osmotici.
• Bersagli dei patogeni: interagiscono con strutture specifiche presenti sulla superficie di batteri e virus, come ad esempio gli antibatterici e gli antivirali.

Farmacodinamica

La farmacodinamica è una branca della farmacologia che studia gli effetti biochimici, fisiologici e del meccanismo d'azione dei farmaci.

Azione farmacologica

Per azione farmacologica si intende l’effetto dovuto all’interazione tra farmaco (ligando) ed un recettore oppure mediante meccanismi più semplici, che non prevedono interazione col recettore (farmaci lassativi e purganti trattengono H₂O; piccoli ioni come HCO₃^-).

L’azione farmacologica può essere:

• Stimolante: determina un aumento dell’attività funzionale preesistente.
• Inibente: determina una diminuzione dell’attività funzionale preesistente.
• Monofasica: prevede un singolo effetto, stimolante o inibente.
• Bifasica: prevede prima un effetto stimolante, seguito da un effetto inibente.
• Costante: è l’azione farmacologica che si manifesta nel 100% dei soggetti trattati.
• Incostante: è l’azione farmacologica che si manifesta in una percentuale <100% dei soggetti trattati.
• Diretta: il farmaco è l’ultimo responsabile delle modificazioni dell’attività funzionale.
• Indiretta: l’effetto si realizza mediante interazione con altri fattori.

In base alla sede in cui si realizza l’azione farmacologica, essa si definisce:

• Locale o topica: si realizza nella sede di applicazione.
• Regionale.
• Generale o sistemica: si realizza quando il farmaco passa nel flusso sanguigno.

Dopo la somministrazione, l’effetto del farmaco si osserva dopo un determinato periodo di tempo detto tempo di latenza; l’effetto farmacologico tende poi ad aumentare progressivamente (incremento) fino ad un massimo (acme), per poi ridursi progressivamente (decremento) fino alla scomparsa.

Relazione dose-risposta

La relazione dose - effetto farmacologico è rappresentata nella curva dose-risposta.

• Andamento rettilineo: ad un aumento della dose corrisponde sempre un aumento dell’effetto farmacologico.
• Andamento iperbolico: aumento di tipo graduale, la risposta farmacologica aumenta in proporzione all’aumentare delle dosi, fino al raggiungimento di un valore soglia oltre il quale non si verifica ulteriore incremento.
• Andamento sigmoide: caratterizzato da tre fasi, la prima fase è piatta a causa delle dosi troppo basse, la seconda fase registra un incremento progressivo della risposta farmacologica in concomitanza con l’aumento delle dosi, la terza fase presenta un plateau in quanto non vi è più nessun aumento significativo.

La curva dose-risposta evidenzia due caratteristiche importanti:

• Efficacia: è definita come il massimo effetto che un farmaco può produrre ed è rappresentata dall’altezza massima della curva.
• Potenza: è definita come la quantità di farmaco necessaria per ottenere un effetto ed è indicata dalla porzione della curva relativa all’asse X (dose). Maggiore è la potenza del farmaco, minore è la dose da somministrare.

La finestra terapeutica è definita come l'intervallo fra la concentrazione minima, al di sotto della quale il farmaco è clinicamente inefficace, e la concentrazione massima al di sopra della quale compaiono effetti tossici. L’indice terapeutico è un parametro che è indice della sicurezza di un farmaco, ed è dato dal rapporto:

Indice terapeutico = LD₅₀ / ED₅₀

Meccanismo d'azione dei farmaci

L’effetto farmacologico dipende dall’interazione del farmaco con fattori macromolecolari presenti nella cellula o nei fluidi extracellulari, definiti recettori. Per recettore si intende una molecola che, attraverso il legame con mediatori endogeni (ormoni, fattori di crescita, citochine) o esogeni (farmaci), è in grado di mediare un effetto biologico.

Le sostanze che possono legarsi ai recettori vengono definite come:

• Agonista: sostanza in grado di legare uno specifico recettore nel sito di legame per il ligando, generando una risposta biologica. Si identificano tre tipi di agonisti:
  • Agonista pieno: è una sostanza che produce una risposta massimale.
  • Agonista parziale: è una sostanza che produce una risposta intermedia.
  • Agonista inverso: è una sostanza che produce una risposta contraria.
• Antagonista: sostanza che, pur essendo in grado di legare un recettore, non produce alcun effetto. Si distinguono due tipi di antagonisti:
  • Antagonista competitivo: è una sostanza che lega reversibilmente il sito dell’agonista.
  • Antagonista non competitivo: sostanza che riduce l’effetto dell’agonista, in quanto si lega ad esso in modo irreversibile.
• Modulatore allosterico: sostanza che si lega al sito allosterico e media un effetto che può essere positivo (agonista allosterico), negativo (agonista inverso allosterico) o nullo (antagonista allosterico).

Recettori

I recettori sono suddivisi in recettori di membrana, che trasducono all’interno delle cellule informazioni mediate da neurotrasmettitori, ormoni e farmaci idrosolubili, incapaci di attraversare la membrana cellulare, e in recettori intracellulari che rappresentano il bersaglio di ormoni e farmaci liposolubili, che attraversano perciò facilmente la membrana cellulare.

Recettori di membrana

I recettori di membrana sono proteine transmembrana e quindi sono complessi anfipatici, con due teste idrofiliche, quella extracellulare e quella intracitolosica, e una porzione idrofobica che le unisce ed attraversa il doppio strato fosfolipidico. Generalmente le porzioni transmembrana sono α-eliche che contengono N-terminale e/o C-terminale. L’attivazione di un recettore di membrana avviene per interazione del ligando con la porzione idrofilica extracellulare.

Recettori accoppiati a proteine G

La struttura dei recettori di questa classe prevede una singola catena polipeptidica con N-terminale extracellulare e C-terminale citoplasmatico, la catena attraversa la membrana sette volte formando 7 regioni transmembrana. Il sito di riconoscimenti del ligando si trova o su N-terminale o su tasche formate dal raggruppamento delle porzioni transmembrana. La terza ansa intracellulare e C-terminale formano il sito di legame per la proteina G, e sono anche siti di fosforilazione per la modulazione. La proteina G è una proteina capace di legare il GTP, è ancorata al versante citoplasmatico ed è costituita da 3 subunità quali α, β e γ. Le subunità β e γ sono legate covalentemente tra loro formando una singola unità mentre la subunità α è legata al GDP e non è associata né al recettore né agli effettori, in condizioni di inattività. L’interazione ligando recettore induce modificazioni conformazionali del recettore, aumentandone l’affinità per la proteina G; contemporaneamente viene alterata la struttura della subunità α, che rilascia GDP e lega GTP. L’eterodimero si dissocia quindi in subunità α-GTP e subunità βγ. Il sistema è ora attivo. Esso torna nello stato inattivato quando la subunità α, grazie alla sua attività GTPasica intrinseca, idrolizza naturalmente il GTP in GDP permettendo la sua riassociazione con la subunità βγ, e la riformazione dell’eterodimero.

In base alla subunità α, si distinguono diverse proteine G:

• Proteina G_s e G_i: possiedono subunità α_s e α_i rispettivamente. Controllano rispettivamente attivazione (s) ed inibizione (i) dell’adenilato ciclasi, che catalizza la formazione di cAMP a partire da ATP. L’adenilatociclasi è un enzima di membrana formato da 2 domini idofobici, con 6 segmenti transmembrana ciascuno, che separano 2 zone citoplasmatiche. Il cAMP è un secondo messaggero che ha come substrato la proteina chinasi cAMP-dipendente, detta PKA. La PKA è un tetramero formato da 2 subunità catalitiche e da 2 subunità regolatorie, le quali contengono il sito per il cAMP. Quando esso si lega con queste ultime, il tetramero si divide e le subunità catalitiche fosforilano substrati citoplasmatici e nucleari. Il sistema si inattiva per azione delle fosfodiesterasi che convertono cAMP in 5’-AMP. La subunità βγ ha anche azione sulla cascata MAP-chinasi.
• Proteina G_q: possiede la subunità α_q ed attiva l’enzima fosfolipasi C (PLC), enzima citoplasmatico che esiste in isoforme β, γ e δ. In seguito ad attivazione recettoriale della proteina G, si libera la subunità α_q e favorisce la traslocazione in membrana della PLC. Una volta giunta in membrana, la PLC idrolizza PIP₂ (fosatidilinositolo difosfato) con la formazione di IP₃ (inositolo trifosfato) e DAG (diacilglicerolo). L’IP₃ nel citosol attacca i recettori del reticolo endoplasmatico e stimola il rilascio di Ca²⁺, mentre il DAG rimane adeso alla membrana e, in presenza di Ca²⁺, attiva la proteina chinasi Ca²⁺-dipendente (PKC). Il sistema è inattivato per trasformazione di IP₃ in inositolo e suo successivo reinserimento nella membrana. PLCγ non è, tuttavia, attivata da proteina G ma da fosforilazione in tirosina, ad opera dei recettori ad attività tirosino-chinasica intrinseca (growth factor).

Recettori canale

I recettori canale sono canali ionici attivati da ligando, si presentano come complessi multiproteici transmembrana che delimitano un canale idrofilo. Si suddividono in classi:

• Classe: recettori nicotinici (ACh, GABA, GLY-R, 5-HT₃).
• Classe: recettori ionotropi per il glutammato (NMDA, AMPA).
• Classe: recettori per i nucleotidi ciclici.
• Classe: recettori ionotropi per ATP (P2X).

Di questi recettori quasi tutti sono permeabili a cationi, perciò sono di tipo eccitatorio, tranne i recettori per GABA e GLY-R che invece sono permeabili ad anioni, quindi sono di tipo inibitorio. La struttura generale di un tipico recettore canale prevede una singola catena polipeptidica, che attraversa la membrana 2-6 volte, in corrispondenza di regioni idrofobiche M1-M6. Il poro è formato dai segmenti M2, le anse M3-M4 possiedono i siti per la fosforilazione da parte di PKA e PKC.

• Recettore nicotinico per acetilcolina (ACh): il recettore per l’ACh è un pentamero costituito dalle subunità α, β, γ, δ, ε; e conta 4 regioni transmembrana (M1-M4) e presenta 2 subunità α, che sono i siti di legame per l’acetilcolina. Esistono diverse isoforme di subunità α le quali indirizzano la permeabilità del canale verso diversi ioni:
  • Nn (neuronale): presenta α₇ ed ha permeabilità per Ca²⁺.
  • Nm (muscolare): presenta α₁ ed ha permeabilità per Na⁺.
• Recettore nicotinico GABA_A: il recettore GABA_A presenta 2 subunità β, che rappresentano i siti di legame per il GABA, all’interfaccia con 2 subunità α. Esso è quindi un pentamero 2α2β1γ. Presenta 4 regioni transmembrana (M1-M4); il legame con il GABA provoca l’apertura del canale al Cl^- e la successiva iperpolarizzazione della membrana post-sinaptica.
• Recettore ionotropo per il glutammato: questo recettore è un tetramero, ciascuna subunità è costituita da quattro regioni transmembrana ovvero M1, P (regione che delimita il canale), M3 e M4. Il recettore è permeabile a Ca²⁺ ed è bloccato da Mg²⁺.
• Recettori per nucleotidi ciclici (CNG receptor): strutturalmente sono simili ai canali ionici voltaggio dipendente, sono eterotetrameri con subunità che attraversano 6 volte la membrana cellulare (M1-M6), N-terminale e C-terminale sono i siti di legame coi nucleotidi e sono entrambi citoplasmatici.
• Recettori ionotropi per ATP (P2X): sono omotetrameri di 7 subunità differenti, P2X1-P2X7, ed ogni subunità contiene 2 segmenti transmembrana (M1-M2).

Recettori per fattori di crescita

La maggior parte di questi recettori possiede attività tirosino-chinasica e catalizza pertanto il trasferimento di gruppi fosfato dall’ATP ai gruppi OH della tirosina presenti nelle proteine bersaglio. La struttura di base è costituita da una singola catena polipeptidica, che attraversa la membrana una sola volta (M1), e presenta diversi domini funzionali:

• Dominio extracellulare: rappresenta il sito di legame per il fattore di crescita, è la parte più variabile del recettore grazie al quale si contano 6 sottofamiglie.
• Dominio transmembrana: costituito da 25 amminoacidi idrofobici, connette il dominio extracellulare a quello intracellulare.
• Dominio intracellulare o iuxtamembrana: divide il dominio transmembrana da quello catalitico, è sede delle funzioni regolatorie.
• Dominio catalitico: è formato da circa 250 amminoacidi ed è il responsabile dell’attività tirosino-chinasica.

La coda C-terminale rappresenta il segmento che, nel recettore attivato, lega i trasduttori intracellulari del segnale. La maggior parte dei recettori per i fattori di crescita sono omodimeri; il fattore si lega alla porzione extracellulare, che espone i siti per la dimerizzazione nei due recettori che interagiscono tra loro e stabilizzano le interazioni recettore-recettore. Si verifica una trans-autofosforilazione dei recettori a livello dei residui di tirosina nel dominio catalitico, ciò provoca a sua volta la fosforilazione del dominio intracellulare e della coda C-terminale. Le tirosine fosforilate rappresentano il sito di ancoraggio per i trasduttori citoplasmatici, i quali le legano mediante moduli contenuti nella loro sequenza, come il dominio SH2. Inoltre attivano la PLCγ, responsabile dell’attivazione della via Ras, la quale stimola la cascata delle MAP-chinasi, principali bersagli ed effettori che regolano l’attività biologica dei recettori tirosino-chinasici.

Sono stati messi a punto anticorpi monoclonali in grado di inibire l’interazione ligando-recettore, diretti contro il recettore stesso o il ligando:

• BEVACIZUMAB (Avastin): è un anticorpo anti-ligando diretto contro VEGF, usato per inibire l’angiogenesi tumorale.
• TRASTUZUMAB (Herceptin): anticorpo diretto contro il recettore EGF, viene usato per azione antiproliferativa nel carcinoma mammario, attraverso blocco della dimerizzazione recettoriale o per induzione di citotossicità da anticorpi (ADCC).

L’inibizione dell’attività tirosino-chinasica è svolta invece da anticorpi che interferiscono con il legame di ATP al sito catalitico e blocco della fosforilazione:

• GEFITINIB (Iressa): diretto contro recettore EGF, è utilizzato contro il carcinoma polmonare non microcitico.
• ERLOTINIB (Tarceva): diretto contro recettore EGF.