Los efectos de las drogas pueden estudiarse y medirse a distintos niveles de complejidad

Transcripción

1 Los efectos de las drogas pueden estudiarse y medirse a distintos niveles de complejidad organismo intacto células organizadas (tejidos y órganos) células estructuras subcelulares moléculas biológicas receptores fisiológicos estructuras macromoleculares funcionales blanco de drogas enzimas proteinas involucradas en transporte ácidos nucléicos una droga es potencialmente capaz de alterar la velocidad de cualquier función del organismo interaccionando con la macromolécula funcional adecuada las drogas no crean efectos, solo modulan funciones existentes sin conferir nuevas funciones a la célula (la terapia génica es una excepción) La mayoría de las drogas actúan interaccionando con la células, ya sea con componentes intracelulares o componentes de la membrana Algunas actúan extracelularmente y no involucran interacciones droga- molécula receptora Los efectos biológicos son consecuencias no específicas de las propiedades químicas de la droga: neutralización del ácido gástrico con antiácidos antídotos en envenenamiento desinfectantes como alcohol, detergentes, derivados fenólicos 1

2 Receptor es una macromolécula o un complejo macromolecular que se une con alta selectividad estructural a determinados ligandos, resultando en un efecto característico El receptor incluye el reconocimiento del ligando y el mecanismo para generar el estímulo inicial droga estímulo inicial receptor sistema amplificador sistema efector efecto sitio receptor señal de entrada señal transducción amplificación modulación señal de salida Los receptores pueden clasificarse de acuerdo a la naturaleza del ligando neurotransmisores: responden a moléculas de señalización en el sistema nervioso central y periférico hormonas: responden a ligandos de naturaleza hormonal (mayoritariamente péptidos) drogas: incluyen los sitios selectivos de reconocimiento y unión de drogas que resultan en un efecto característico; la función fisiológica del sitio de reconocimiento es desconocida sabor/olor: ubicados en la lengua y mucosa nasal, responden a moléculas asociadas a sabores y olores toxinas de sistema inmune: anticuerpos de luz: rodopsina 2

3 tra clasificación se basa en la secuencia primaria de aminoácidos del receptor Un pequeño número de subfamilias de receptores comparten estructuras homólogas y mecanismos de acción comunes Estas subfamilias corresponden a: Receptores que abren canales de iones Receptores con actividad enzimática Receptores acoplados con proteinas-g (segundo mensajero) Receptores nucleares que regulan la transcripción de distintos genes Las subfamilias de receptores están acopladas a distintos sistemas celulares que producen los efectos dando lugar a la respuesta celular La mayoría de los receptores se encuentran en la membrana celular grupos polares droga anfifílica droga polar exterior restos alquilo no polares lípidos de membrana droga no polar moléculas de colesterol interior 3

4 Canales de iones Son poros en la membrana celular que al abrirse permiten el paso de iones inorgánicos pequeños (a +, K +, Ca +2, Cl - ) Pueden abrirse por una variedad de mecanismos, los más comunes son por unión de un ligando (activados por ligando) o por una diferencia de potencial (activados por voltaje) Los receptores de varios neurotransmisores forman canales selectivos de iones en la membrana plasmática. Difunden sus señales alterando el potencial de la membrana celular o la composición iónica del citoplasma Canales de iones activados por ligandos Esta subfamilia incluye: receptor nicotínico de acetilcolina Ac (CH 3 ) 3 receptores de los aminoácidos excitatorios (aspartato y glutamato) receptores de los aminoácidos inhibitorios (GABA y glicina) H 2 C 2 H receptores serotoninérgicos 5HT3 H 2 H Alta homología: provienen de un único gen ancestral y pertenecen a una única superfamilia de genes Efectos muy rápidos (milisegundos) H 4

5 El receptor neuromuscular nicotínico de acetilcolina es un pentámero en que 5 subunidades se ensamblan para formar el canal. Los receptores de glicina y GABA tienen una estructura similar acetil colina exterior interior Ligandos excitatorios: inducen la apertura del canal aumentando la permeabilidad a los iones (principalmente a + y K + ). La corriente hacia adentro de a + despolariza la célula y genera un potencial de acción El receptor GABA A también es un pentámero en que 5 subunidades se ensamblan para formar el canal de cloruro GABA: ligando H 2 C 2 H neuroesteroide potenciador neuroesteroide potenciador neuroesteroide activador Ligandos inhibitorios: abren canales aniónicos (Cl - ) anulando el disparo del potencial de acción 5

6 Actividad de benzodiazepinas sobre el receptor GABA A Cl CEt CEt F Cl diazepam (agonista) actividad intrínseca positiva sobre el receptor GABA A (tranquilizante) flumazenil (antagonist) sin actividad intrínseca sobre el receptor GABA A (antídoto en intoxicación) Ro (agonista inverso) actividad intrínseca negativa sobre el receptor GABA A (proconvulsivo) Receptores con actividad enzimática intrínseca La unión del ligando en el dominio extracelular activa una actividad enzimática en el dominio intracelular del receptor La actividad enzimática asociada es la fosforilación de residuos de tirosina del mismo receptor o guanilil ciclasas que convierten GTP en cgmp Esta familia incluye el receptor de insulina y los receptores de factores de crecimiento (epidérmicos, de nervios, de plaquetas, vasculares, etc.) Estos receptores pueden producir efectos rápidos y lentos en las células que resultan en acciones celulares complejas exterior homodímero del receptor interior receptor de hormona de crecimiento dominio de tirosina kinasa tirosina kinasa activada 6

7 Translocación de cromosomas en la Leucemia Mielógena Crónica abl = tyr protein-quinasa cromosoma 9 bcr = ser/thr protein-quinasa cromosoma 22 cromosoma 9+ proteina con fusión abl-bcr posee actividad aumentada de tirosina protein-quinasa cromosoma 22- presente en más del 90% de los casos de Leucemia Mielógena Crónica Imatinib (ovartis) para el tratamiento de la leucemia mielógena crónica H inhibidor selectivo de tirosina protein-quinasas (tipo abl-bcr) Ki abl = 38 nm H Ki PDGFR = 50 nm (receptor del factor de crecimiento derivado de plaquetas) selectividad >1000 respecto a otras protein quinasas y factores de crecimiento R. Capdeville et al., ature Rev. Drug Discov. 1, (2002) 7

8 Receptores acoplados con proteinas-g (GPCR) Para muchos receptores el efecto inmediato al ser activados es la formación de un segundo mensajero, una molécula pequeña con actividad bioquímica que pueda producir cambios intracelulares como fosforilación (camp) o movilización de calcio (fosfatidilinositol). Los más conocidos son los acoplados a proteinas que unen GTP (Proteinas-G). Activándolas o inhibiéndolas, las proteinas-g activan o inhiben adenil-ciclasas, fosfatidil bifosfato hidrolasas y ciertos canales de iones. Todos estos receptores están formados por una única cadena de aminoácidos con 7 tramos de 20 a 28 aminoácidos hidrofóbicos insertados en la membrana celular. Esas regiones presentan alta homología entre los distintos receptores Función de receptores acoplados con proteinas-g Los receptores asociados a Gs activan la adenilciclasa Los receptores asociados a Gi inhiben la adenilciclasa 8

9 Algunos receptores acoplados con proteinas-g (GPCR) Receptores α1, β1 y β2 adrenérgicos Receptores de serotonina (5-HT1a, 5-HT1c, 5-HT2) Receptor muscarínico de acetilcolina Receptores D1 y D2 de dopamina Receptores de neurokinina Receptores de luz (rodopsina) Muchos ligandos se unen a más de un GPCR Ki 5-HT 2A = 4 nm Ki 5-HT 2B = 12 nm H Ki 5-HT 2C = 11 nm S Ki 5-HT 3 = 57 nm Ki dop D 1 = 31 nm Ki dop D 2 = 11 nm Ki dop D 4 = 27 nm Ki musc M 1 = 1.9 nm Ki musc M 2 = 18 nm Ki musc M 3 = 25 nm lanzapina Ki musc M 4 = 13 nm (neuroléptico) Ki musc M 5 = 6 nm Ki adr α 1 = 19 nm Ki adr α 2 = 230 nm Ki hist H 1 = 7 nm F. P. Bymaster et al., europsychopharmacology, 14, (1996) Receptores muscarínicos de acetilcolina J. Med. Chem. 43, 4333 (2000) Familia de receptores metabotrópicos expresados en el sistema nervioso parasimpático Participan en diversas funciones fisiológicas: Ritmo cardíaco, excitación, cognición, procesamiento de sensaciones, control motor Son blancos para el tratamiento de diversas psicosis (esquizofrenia), Alzheimer, Parkinson Transducción de señal: ESTIMULATRI estimula fosfolipasa C a través de la proteina Gq IHIBITRI bloquean adenil ciclasa a través de la proteina Gi agonistas H 3 C (CH 3 ) 3 CH 3 H Muscarina H 3 C Pilocarpina La apertura del canal de K por los agonistas del receptor muscarínico en la región marcapasos del atrio, relaja el corazón al producir hiperpolarización CH 3 Atropina (antagonista) H produce síntomas similares a la esquizofrenia 9

10 Receptores intracelulares Estos comprenden la superfamilia de receptores de hormonas esteroidales: esteroides adrenales, esteroides sexuales y vitamina D3 receptores de hormonas tiroideas: derivados iodados de tirosina receptores de retinoides: hormonas derivadas de vitamina A A diferencia de los receptores anteriores, son proteinas solubles que se encuentran dentro de la célula, con alta afinidad hacia sus ligandos pero baja capacidad. La mayoría están ubicados dentro del núcleo aun en ausencia de ligando excepto el receptor de glucocorticoides que también se encuentra en el citosol Actúan como factores de transcripción Los receptores de esteroides y hormonas tiroideas tienen una organización similar Unión al AD y activación transcripcional (dominios varían en 94-40%) regiones -terminales tienen < 15% identidad (necesarias para activar transcripción) Regiones de unión de hormona y dimerización (varían en 57-15%) <15 15 Glucocorticoide Mineralocorticoide Progesterona Andrógeno Estrógeno Triiodotironina Vitamina D Acido retinoico Acido 9-cis retinoico 10

11 glucocorticoides naturales H H H H H Actividad catabólica en el sistema inmune, músculos, huesos, grasa y piel Actividad anabólica en hígado y riñón Modulación de la función cognitiva corticosterona (rata) cortisol (humano) En dosis farmacológicas los GCs son potentes inmunosupresores Los GCs se encuentran entre las drogas más prescriptas en el mundo para el tratamiento de enfermedades inmunes e inflamatorias Los GCs inducen apoptosis en células nucleadas y se utilizan como agentes antiproliferativos en tratamientos de quimioterapia glucocorticoides esteroidales naturales y sintéticos H H H H H H H F F H cortisol (natural) H dexametasona H H H betametasona F S H F deacilcortivazol F fluticasona furoato 11

12 glucocorticoides esteroidales naturales y sintéticos H H H H H H H F F H cortisol (natural) H dexametasona H H H betametasona F S H F deacilcortivazol F fluticasona furoato mineralocorticoides naturales H H H H H desoxicorticosterona aldosterona metabolismo de agua y electrolitos Los MCs actúan en los túbulos distales del riñón aumentando la reabsorción de iones sodio del fluido tubular al plasma En dosis farmacológicas los MCs son usados en terapias de reemplazo parcial para insuficiencia adrenocortical primaria y secundaria en la enfermedad de Addison 12

13 mineralocorticoides esteroidales naturales y sintéticos H H H H H H F H H fludrocortisona (también GC) cortisol tiene afinidad por el MR pero es inactivo in vivo aldosterona (natural) 18-oxo-vinilprogesterona CCH 3 eplerenona (antagonista) El mecanismo clásico de los receptores nucleares La hormona difunde del medio extracelular al interior de la célula donde reconoce al receptor y se une a él Se produce un cambio conformacional que da lugar a un dímero 13

14 Al nivel celular las acciones de los glucocorticoides son mediadas por el receptor de glucocorticoides aumento de la transcripción múltiples sitios de fosforilación recon ocimiento de AD unión del ligando dimerización unión de coactivadores dimerización El receptor de glucocorticoides regula la expresión de genes que responden a GC estos representan hasta el 20% del genoma humano Estructura cristalina del complejo GR DBD AD El dominio de unión al AD del receptor de estrógenos es muy similar: Estructura cristalina del complejo ER DBD AD 14

15 Dímero del receptor de glucocorticoides (dominio de unión de ligando) cristalizado con dexametasona unida (Bledsoe et al. Cell, 110, (2002) Dominio de unión del ligando (LBD) del receptor de glucocorticoides Dominio de reconocimiento de coactivadores y corepresores Ligando Bledsoe et al Cell, 110, (2002) 15

16 El GR desencadena los efectos biológicos de los glucocorticoides activando o reprimiendo la expresión de genes Tuckerman, Kleiman, McPherson, Reichardt, Crit. Rev. Clin. Lab. Sci., 42, (2005) Votero, Chrousos in Adrenal Physiology and Diseases, Ed. G. P. Chrousos, Chap Mecanismos de acción del receptor de glucocorticoides ecela y Cidlowski, Proc Am Thorac Soc 1, ,

17 Efecto antiinflamatorio de los glucocorticoides mediado por F-κB ecela y Cidlowski, Proc. Am. Thorac. Soc., 1, 239 (2004) Efecto antiinflamatorio de los glucocorticoides mediado por AP-1 ecela y Cidlowski, Proc. Am. Thorac. Soc., 1, 239 (2004) 17

18 Asn 564 H2 21% Gln 570 H H H H H H 24% H Thr 739 H H 22% H 99% 89% H 30% 99% H H H2 H2 F Gln 642 F 44% H H Arg 611 H Met 604 H H H Expansión del LBP del GR en la zona del anillo A H H H F H H H GR LBD deacilcortivazol GR LBD dexametasona Suino-Powell et al, Mol. Cell Biol. 3, (2008) 18

19 Unión de un ligando no esteroidal al GR CF 3 F H H H 2 Cl Cl Madauss et al, Bioorg. Med. Chem. Lett.., 18, 6098 (2008) Antagonismo activo RU-486 interfiere con el posicionamiento de la hélice 12 y la unión de coactivadores péptido coactivador H hélice 12 GR-LBD - RU-486 GR-LBD - dexametasona Kauppi et al., J. Biol. Chem., 278, (2003) 19

20 Mecanismo de acción del receptor de mineralocorticoides La selectividad sin embargo no depende solo del receptor Pascual-Le Tallec y Lombès, Mol. Endocrinol. 19, (2005) El resultado final es que se activan o desactivan genes que son responsables de activar (HRE, TFRE) o desactivar (nhre) distintos caminos de síntesis de proteinas Glucocorticoides: aumentan la producción de compuestos antiinflamatorios como las anexinas e inhiben la síntesis de moléculas proinflamatorias (transrepresión) Aumentan la producción de enzimas involucradas en la gluconeogénesis y en el catabolismo de proteinas entre otras (transactivación) Mineralocorticoides: estimulan la producción de proteinas de transporte (canales de sodio) involucrados en la función de los túbulos renales También hay una variedad de efectos en la actividad neuronal 20

21 Las hormonas, neurotransmisores y demás ligandos al interaccionar con los receptores presentan curvas dosis respuesta sigmoideas A baja concentración de ligando hay pocas moléculas disponibles para interaccionar con el receptor A mayor concentración la respuesta aumenta linealmente con el log de la concentración A concentraciones mayores se llega a un plateau cuando todos los sitios receptores están ocupados 21

22 La afinidad del ligando por el receptor está dada por la constante de disociación (Kd) para la reacción de equilibrio ligando + receptor complejo ligando-receptor K D = [ligando] [receptor] [complejo ligando-receptor] Cualquier compuesto que dé la misma respuesta que el ligando natural alcanzando la misma respuesta máxima se denomina agonista (Kd puede ser mayor, menor o igual) Un compuesto que no produce una respuesta pero bloquea el efecto del ligando natural o de un agonista se denomina antagonista Los antagonistas competitivos son los más comunes. El bloqueo del efecto depende de las concentraciones relativas de antagonista y agonista. Ambos se unen al mismo sitio del receptor o el antagonista interfiere directamente con la unión del agonista Los antagonistas no competitivos producen un bloqueo que es independiente de la concentración de agonista. Pueden estar involucrados dos sitios distintos de unión 22

23 Un compuesto que produce una respuesta pero no alcanza la respuesta máxima generada por un agonista aunque se aumente la concentración, se denomina agonista parcial Un agonista parcial tiene propiedades de agonista y antagonista Modelo clásico de activación del receptor antagonista competitivo unión del agonista cambio de conformación del receptor receptor inactivo receptor activo 23

24 Teoría de ocupación La intensidad del efecto farmacológico es directamente proporcional al número de receptores ocupados por la droga La respuesta cesa cuando el complejo droga-receptor se disocia Se distinguen 2 etapas en la interacción: formación del complejo, determinada por la afinidad de la droga (Kd) inicio del efecto biológico, determinada por la actividad intrínseca o eficacia de la droga (α) α = 1 agonista 0 < α < 1 agonista parcial α = 0 antagonista (generalmente alta afinidad, Kd pequeña) Teoría de la velocidad de reacción Como alternativa a la anterior propone que la activación del receptor es proporcional al número de encuentros entre la droga y el receptor por unidad de tiempo La actividad farmacológica sería función de la velocidad de asociación y disociación de la droga con el receptor y no del número de receptores ocupados Agonistas: velocidades altas de asociación y más altas de disociación Antagonistas: se asocian rápido pero se disocian lento En el equilibrio es equivalente a la teoría de ocupación 24

25 Teoría del encaje inducido El receptor puede existir en una conformación que no es apropiada para unirse al ligando Un agonista induce un cambio conformacional e inicia la respuesta disociándose rápidamente Un antagonista se une sin cambio conformacional y forma un complejo estable Un agonista parcial produciría un cambio conformacional parcial antagonista agonista Teoría de activación-agregación equilibrio de conformaciones del receptor receptor activo antagonista competitivo agonista receptor inactivo Explica las diferencias estructurales entre series de agonistas y antagonistas y la habilidad de los agonistas parciales para tener propiedades agonistas y antagonistas 25

26 el sitio de unión del agonista en la forma activa puede ser distinto del sitio de unión del antagonista en la forma inactiva antagonista (alostérico) equilibrio de conformaciones del receptor agonista receptor inactivo receptor activo En general existen marcadas similitudes estructurales en una serie de agonistas pero no en una serie de antagonistas competitivos Generalmente los antagonistas son más voluminosos que los correspondientes agonistas 26

27 Todos los compuestos naturales del organismo (autocoides) como hormonas, neurotransmisores, etc., actúan como agonistas La mayoría de los compuestos extraños (xenobióticos) que interaccionan con receptores actúan como antagonistas Si se busca una droga que dé lugar a una determinada respuesta se deberá diseñar un agonista. Si se desea bloquear el efecto se deberá diseñar un antagonista Si se busca una droga que dé lugar a una determinada respuesta se deberá diseñar un agonista Si se desea bloquear el efecto se deberá diseñar un antagonista 27

28 Agonistas y antagonistas de receptores de histamina y acetilcolina histamina (agonista) acetilcolina (agonista) difenhidramina (antagonista) antihistamínico y anticolinérgico drofenina (antagonista) anticolinérgico Modelos de unión a receptores acoplados con proteinas-g Receptor de histamina H 1 Receptor de histamina H 2 28

29 Modelos de unión a receptores acoplados con proteinas-g Receptor de serotonina 5HT 2 Receptor muscarínico M 2 Agonistas y antagonistas de receptores de catecolaminas R = H norepinefrina (agonista α) R = CH 3 epinefrina (agonista α y β) R = CH(CH 3 ) 2 isoproterenol (agonista β) R = CH 3 morfina (agonista) R = CH 2 -CH=CH 2 nalorfina (antagonista) Dicloroisoproterenol, DCI (agonista débil/antagonista competitivo de isoproterenol) 29

30 Modelos de unión a receptores acoplados con proteinas-g Receptor adrenérgico β 2 Receptor dopaminérgico D 2 Agonistas y antagonistas de receptores de dopamina dopamina (agonista) apomorfina (agonista) (+)-Butaclamol (antagonista) potente antipsicótico 30

31 Blancos de drogas Enzimas inhibidores reversibles no covalentes inhibidores de estados de transición inhibidores reversibles covalentes (por ej. serin proteasas) RCH + H-Ser CH(H)--Ser inhibidores covalentes irreversibles RCH 2 -Cl + H-Ser CH 2 --Ser Acetilsalicilato + H-Ser CH 3 C-Ser + salicilato penicilinas (acilación de transpeptidasas) omeprazol (formación de disulfuro con H/K-ATPasa) inhibidores suicidas - S S-omeprazol α-chf 2 -ornitina como inhibidor de ornitina descarboxilasa) unión de no sustratos en el sitio activo H 2 hirudina H 2 CH 3 Mg+2+ CH 3 2 C 2 H CF 2 H Proteasas y otras enzimas como blanco de drogas 31

32 Blancos de drogas Receptores Agonistas: dopamina, epinefrina, morfina Antagonistas competitivos: la mayoría de los antagonistas de neurotransmisores Antagonistas no competitivos: la mayoría de los antagonistas de receptores de péptidos Canales iónicos (controlados por ligandos o diferencia de potencial) bloqueadores de canales de a, K, Ca, apertura de canales de K Transportadores (contra un gradiente de concentración) a/k-atpasa (glicósidos cardíacos), H/K-ATPasa (bomba de H, omeprazol) Inhibición de incorporación de neurotransmisor: cocaina, imipramina, fluoxetina AD compuestos alquilantes e intercalantes, terminación de AD, aciclovir tros mecanismos de acción de drogas Antibacterianos y antimicóticos Carboxilatos de quinolona (AD-girasa) Antimicóticos tipo azol (inhiben biosíntesis de ergosterol, defectos en la membrana celular) Antibióticos tipo polieno (forman canales en la membrana del hongo) Antibióticos Penicilinas y cefalosporinas (inhibidores irreversibles de transpeptidasa, inhiben biosíntesis de la pared celular) D-cicloserina (entra en la célula por el transportador de D-alanina, inhibe biosíntesis de la pared celular) Estreptomicina, tetraciclina, cloramfenicol (inhiben síntesis de proteinas) Análogos de nucleósidos modificación en la base o en el azúcar; activación metabólica de la célula infectada por el virus Cl Cl 32

33 tros mecanismos de acción de drogas Antimetabolitos sulfamidocrisoidina (prodroga de sulfanilamida, antimetabolito de la la biosíntesis de DHF) Isoniazida (prodroga de ácido isonicotínico, antimetabolito de ácido nicotínico) Antitubercolastáticos Etambutol (inhibidor de biosíntesis de AR) Antitumorales Agentes alquilantes (causa errores de lectura en la duplicación del AD) Agentes intercalantes (errores en la lectura del AD) Taxol (equilibrio de microagregación de tubulina) Inmunosupresores Ciclosporina A (inhibe la activación de células inmunocompetentes) Antagonistas de integrina Receptor de fibrinógeno (agregación de plaquetas) Receptor de vitronectina (neoangiogénesis) 33