teoria dei recettori

I farmaci producono effetti chimici e fisiologici molto specifici: non esiste un farmaco universale, capace di intervenire su qualsiasi sintomo. Questa evidenza ha portato a teorizzare l'esistenza dei recettori. Attualmente i recettori sono stati isolati biochimicamente e i geni codificanti le proteine recettoriali sono stati clonati e sequenziati.

i recettori determinano la relazione quantitativa fra la dose di farmaco e l'effetto farmacologico;
i recettori sono responsabili della selettività dell'azione dei farmaci;
i recettori mediano l'azione farmacologica fra agonisti (sostanze in grado di produrre un determinato effetto) e antagonisti (sostanze in grado di impedire l'azione dell'agonista).

Posta questa premessa, il passo successivo implica la conocenza della tipologia e localizzazione dei recettori.

Le proteine alla superficie della cellula o al loro interno: mediano gli effetti di segnali chimici endogeni come i neurotrasmettitori e gli ormoni, per es. adrenorecettori, recettori steroidei, recettori acetilcolinici.
enzimi: la superficie della cellula, l'attraversamento delle membrane o proteine intracellulari sono inibite (o meno frequentemente attivate) dal legame con un farmaco.
proteine strutturali: extra o intracellulari sono inibite (o meno frequentemente attivate) dal legame con un farmaco.

relazione fra concentrazione di farmaco e risposta

La relazione tra la dose di farmaco somministrata e la risposta clinica osservata può essere abbastanza complessa. Per contro, in sistemi in vitro accuratamente controllati, la relazione tra la concentrazione di farmaco ed il suo effetto è spesso semplice e può essere descritta con modelli matematici semplici.

Nel diagramma a sinistra (Fig. 1), la relazione tra concentrazione di farmaco e risposta, un'iperbole rettangolare, è data da un modello matematico che abbiamo già incontrato nel trasporto attivo: l'equazione di Michaelis Menten.

(1)

dove: Effetto_max è la massima risposta del sistema al farmaco;
EC₅₀ è la concentrazione di farmaco che produce una risposta pari al 50 per cento dell'effetto massimo.

Nella formulazione proposta dall'equazione, a seconda che EC₅₀ sia molto maggiore o minore di [farmaco] si ottiene l'andamento in Fig. 1. Tuttavia, in questo caso, il significato da attribuire al confronto fra EC₅₀ e [farmaco] non è affatto evidente ed occorre spiegarlo.

relazione tra concentrazione di farmaco e risposta

Il legame del farmaco al corrispondente recettore è caratterizzato da una cinetica di saturazione: la risposta tende ad un plateau via via che i recettori risultano impegnati.
Consideriamo l'equilibrio tra il ligando, L, (farmaco, ormone, ecc.) ed il recettore, R, con formazione del complesso RL. Ci proponiamo di calcolare la frazione di complesso ligando-recettore rispetto alla quantità totale di recettore:

la costante di equilibrio, fornisce:

la frazione di recettore totale che esiste come complesso RL è:

sostituendo [RL] ricavata dall'equazione precedente, si ottiene il risultato cercato:

Riportando su un grafico f_RL contro [L], si ottiene il grafico di Fig. 3

Dal grafico si vede chiaramente che i recettori sono occupati al 50% quando [farmaco] = k_off / k_on

dal momento che l'intensità della risposta di un recettore ad un farmaco è proporzionale alla concentrazione di farmaco legato, si può affermare che:

la risposta del farmaco e il legame con il recettore presentano curve sovrapponibili;
la metà dell'effetto massimo è correlata alla costante di formazione del complesso farmaco recettore.

La frazione di recettori occupata è di rilevante interesse in quanto è da questa che dipende l'effetto di un farmaco. Così, se noi misuriamo l'effetto massimo (dove circa il 100% dei recettori sono occupati) e conosciamo la frazione impegnata allora possiamo determinare l'effetto per ogni data concentrazione di farmaco. Questo effetto sarà dato proprio dall'eq. 1 (generalizzata per un ligando, L, e con EC₅₀ = K ):

Effetto_max · [L] / (K + [L]) (2)

L'affinità di un ligando, L, per il recettore è tanto maggiore quanto minore è K, cioé quanto più lentamente il complesso farmaco recettore si dissocia, ed è data da 1/K

se il ligando evoca una risposta che è la massima ottenibile dall'organo bersaglio, si parla di agonista pieno (a = 1)
se la risposta è inferiore alla massima ottenibile si parla di agonista parziale (a < 1)
se il ligando pur occupando il recettore non produce alcuna risposta, cioé è privo di attività intrinseca (a = 0) , si parla di antagonista puro.

antagonismo

L'antagonismo può essere di vario tipo:

antagonismo chimico: l'attività di un farmaco può essere ridotta o annullata per interazione chimica: un acido debole, per es., può essere usato per contrastare l'azione di una base corrosiva;
antagonismo fisiologico: i medici spesso prescrivono medicinali che traggono vantaggio dall'antagonismo fisiologico tra i processi regolatori endogeni. Ad es., l'azione catabolica dei glucocorticoidi porta a incrementare il glucosio nel sangue (un effetto opposto all'insulina). Così, l'insulina è qualche volta somministrata per contrastare l'iperglicemia dell'ormone glucocorticoide sia risultante dall'incrementata sintesi endogena (per es. un tumore della corteccia surrenale) o come risultato di una terapia glucocorticoide;
antagonismo farmacologico: i farmaci che si legano ai recettori ma non si comportano come agonisti e, d'altra parte, non alterano la funzione recettoriale. Questi antagonisti possono bloccare la capacità dell'agonista di legarsi al recettore mediante competizione per lo stesso sito recettoriale o possono legarsi a un altro sito sul recettore che blocca l'azione dell'agonista. In entrambi i casi, l'attività biologica dell'agonista è ostacolata.

In generale l'effetto degli antagonisti farmacologici deriva dall'impedire all'agonista di legarsi al recettore ed attivarlo. Gli antagonisti possono essere competitivi (spiazzati reversibilmente dagli agonisti) o non competitivi (spiazzati non reversibilmente dagli agonisti). La figura che segue, mostra con un modello rozzo ma intuitivo, il comportamento di un agonista nei confronti di un recettore.

Nel primo caso (chiave 1), è rappresentata la condizione di non interazione fra agonista (o antagonista) e recettore: la chiave (agonista o antagonista) non si adatta alla guida (serratura) e quindi non gira e non attiva la dentatura (recettore).
Nel secondo caso (chiave 2), è rappresentata la condizione di interazione fra agonista (o antagonista) e recettore: la chiave (agonista o antagonista) si adatta alla guida (serratura) e quindi attiva la dentatura (recettore).
Nel terzo caso (chiave 3), è rappresentata la condizione di interazione parziale fra agonista (o antagonista) e recettore: la chiave (agonista e antagonista) si adatta alla guida (serratura) ma attiva la dentatura (recettore) solo parzialmente.

antagonismo competitivo

Un ligando è un antagonista competitivo quando si lega reversibilmente al recettore, dal quale può essere spiazzato da un eccesso di farmaco agonista, in base alla legge di azione di massa. Questo fatto comporta rilevanti implicazioni terapeutiche.
L'intensità e la durata di azione di un antagonista competitivo dipendono dalla concentrazione della frazione non legata di farmaco e dalla sua concentrazione plasmatica. Quest'ultima, infatti, è funzione della capacità dell'organismo di eliminare il farmaco: la posologia di un antagonista competitivo risente della variabilità dell'organismo nel disporre del farmaco la cui concentrazione influisce sull'equilibrio con il recettore.

Un ligando è un antagonista non competitivo (o insormontabile) quando si lega irreversibilmente al recettore di modo che i suoi effetti non possono essere completamente annullati aumentando la concentrazione di agonista e quindi, al contrario dell'inibizione competitiva, la risposta massima all'agonista non può essere ristabilita. Questo significa che l'affinità dell'antagonista per il recettore può essere così elevata da renderlo indisponibile per l'agonista.
Da un punto di vista pratico, la durata di azione di un antagonista non competitivo dipende più dalla capacità dell'organismo di produrre nuovi recettori che dalla velocità con cui viene eliminata la quota di antagonista non legato ai recettori.

Un antagonista competitivo, C, compete con l'agonista, A, per il legame con il recettore, R, secondo lo schema seguente:

Per la legge di azione di massa, aumentando la concentrazione di C, l'equilibrio si sposterà a sinistra riducendo la quantità dell'efficace complesso recettore-agonista, AR. Al contrario, aumentando la concentrazione di agonista, l'equilibrio si sposterà a destra riducendo la quantità dell'improduttivo complesso recettore-antagonista.

Il problema consiste nel misurare K_C dal momento che C non produce un effetto... a questo scopo si definisce il rapporto di dose, Rd

è evidente che tanto maggiore è Rd, tanto più rilevante è l'effetto dell'antagonista. Si può dimostrare che Rd è legato alla concentrazione di agonista, C, tramite la relazione di Schild:

rapporto di dose = Rd = 1 + [C]/K_C (3)

L'eq. 1, che -come abbiamo visto- si può porre anche nella forma dell'eq. 2:

descrive la relazione tra la concentrazione di un singolo ligando e il suo grado di combinazione con il recettore. Quando è presente, con concentrazione C, un secondo ligando antagonista che compete reversibilmente con il primo per lo stesso recettore, si ottiene la relazione seguente:

(4)

si noti che la EC₅₀ è ridotta di un fattore legato alla concentrazione di antagonista tramite il rapporto di dose; per ottenere lo stesso effetto che si avrebbe in assenza di antagonista, è necessario che la concentrazione [A] di agonista aumenti, raggiungendo il valore [A*]

Gli aspetti quantitativi dell'antagonismo recettoriale sono suscettibili di una rappresentazione grafica con curve risposta-dose molto evidente. Come si vede dalle figure in basso, l'antagonismo competitivo sposta a destra la curva dell'agonista (che si mantengono parallele) ma l'effetto massimo è sempre raggiungibile, mentre l'affinità dell'agonista per il recettore (1/K) diminuisce.
In presenza di un antagonista non competitivo, l'affinità dell'agonista per il recettore non varia, però l'effetto massimo non è più raggiungibile a causa della diminuita disponibilità dei recettori che non possono più essere liberati per competizione.
L'antagonismo è di tipo misto quando la risposta all'agonista in presenza di basse concentrazioni di agonista insormontabile, che sottrae irreversibilmente recettori al farmaco agonista, può raggiungere comunque il massimo. Una tale evidenza sperimentale è in aperto contrasto con la teoria dell'occupazione recettoriale (secondo la quale l'effetto massimo raggiungibile dall'agonista è conseguente all'occupazione di tutti i recettori presenti); tuttavia, può trovare una spiegazione ammettendo l'esistenza di recettori di riserva. In pratica, esistono organi o tessuti che apparentemente contengono un numero di recettori superiori a quello necessario a un agonista dotato di attività intrinseca massima (a = 1) per evocare una risposta ottimale. La presenza di questi recettori potenzia così anche la risposta dell'organo bersaglio all'agonista parziale ( a < 1) in quanto il maggior numero di recettori occupati tende a compensare la minore attività intrinseca.

antagonismo competitivo e insormontabile

grafico in Fig. 1 : la curva a è ottenuta con concentrazioni crescenti di agonista; la curva b è ottenuta con concentrazioni crescenti dello stesso agonista in presenza di una concentrazione fissa di antagonista. L'antagonismo è di tipo competitivo.

grafico in Fig. 2 : la curva a è ottenuta con concentrazioni crescenti di agonista; la curva b è ottenuta con concentrazioni cresecnti dello stesso agonista in presenza di una concentrazione fissa di antagonista che si lega irreversibilmente al recettore.

grafico in Fig. 3 : la curva a è ottenuta con concentrazioni crescenti di agonista; le curve b e c sono ottenute con concentrazioni crescenti dello stesso agonista in presenza di una concentrazione fissa di antagonista non competitivo che si lega irreversibilmente al recettore. Sebbene i recettori siano diminuiti, le curve b e c mostrano che l'effetto massimo è ancora raggiungibile. Solamente quando un numero sempre cresecnte di recettori è occupato irreversibilmente, l'effetto massimo, curva d non è più raggiungibile.

l'equazione di Schild in forma logaritmica

L'equazione di Schild, posta in forma logaritmica, assume la forma:

log (Rd - 1) = log ([C]) - log K_C (5)

riportando in scala logaritmica il primo membro in ordinate; log [C] in ascisse, si ottiene una retta dove l'intercetta sulle ordinate è data da - log K_C.
E' importante osservare che la (5) prevede un coefficiente angolare = 1; ne deriva che condizione necessaria per avere antagonismo competitivo è che la retta di Schild abbia inclinazione = 45º

Quando il coefficiente angolare della retta di Schild è 1, l'antagonismo è competitivo e reversibile. Questo implica che l'agonista sta agendo su un singolo tipo di recettore e che il tessuto non ha meccanismi di assorbimento (uptake) per l'agonista, che potrebbero falsare le osservazioni. Si può anche concludere che l'antagonista determina un parallelo spostamento a destra della curva di risposta dell'agonista senza diminuzione della risposta massima.

Quando il coefficiente angolare della retta di Schild non è 1, allora vi sono tre possibilità:

l'antagonista non è competitivo;
è stata osservata una interazione multimolecolare tra farmaci e recettori;
nel procedimento sperimentale non sono state ottenute le condizioni di equilibrio.

La terza condizione è importante per l'equilibrio dinamico in contrasto alla vera condizione di equilibrio può essere distorta dalla natura dell'antagonismo; per es., un antagonista competitivo potrebbe apparire non competitivo. Questo può presentarsi in tessuti isolati, che sono caratterizzati da un elevato assorbimento e/o meccanismi degradativi sia per l'agonista che per l'antagonista.

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Marcello Guidotti, copyright 2005
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