Catedra Chimie farmaceutic i toxicologic

09.3.1-12

Elaborare metodic pentru studeni i profesori

(Chimie medical)

RED.:01

DATA:

06.07.2009

Pag. 1 / 12

Instituia Public Universitatea de Stat de Medicin i Farmacie

Nicolae Testemianu

FACULTATEA FARMACIE

CATEDRA CHIMIE FARMACEUTIC I TOXICOLOGIC

RECEPTORII. CINETICA REACIEI RECEPTOR - LIGANDIndicaie metodic pentru studenii anului V la Chimia medical

Chiinu 2014 Introducere

Studierea receptorilor i enzimelor ca inte de aciune pentru substanele medicamentoase permite de a evidenia legiti comune i selective pentru explicarea mecanismului lor de aciune.

Scopul lucrrii: De a analiza tipurile de interaciuni medicament - receptor n funcie de structura chimic.

Scopul determinat1. Descrierea naturii receptorilor ca macromolecule-inte ale medicamentului, precum i a proceselor cinetice care au loc la interaciunea medicament -receptor .

Planul studierii temei

Pentru studierea temei se acord 1 lucrare de laborator:

Coninutul lucrrii

Pregtirea teoretic pentru efectuarea sarcinilor din scop.

Recapitulare.

MATERIAL INFORMATIVn acest capitol este descris natura chimic a receptorilor ca macromolecule-inte ale medicamentului, precum i procesele cinetice care au loc la interaciunea receptor - ligand. Structura celular specializat n asigurarea interaciunii medicament - organism este receptorul.

Din punct de vedere biochimic receptorii farmacodinamici suntmacromolecule,pri ai macromoleculor sau complexe macromoleculare de natura proteic cu o structur flexibili ce se leag o structur chimic cu apariia unui efect biologic.Ei sunt localizai n membrana celular, organite celulare sau n citoplasm. Ctre aceste molecule se refer proteinele i acizii nucleici. Structura int structur macromolecular biologic, de regul legat de o funcie biologic anumit, alterarea creia poate solda cu apariia unei boli i asupra creia trebuie efectuat o anumit aciune.

Majoritatea receptorilor prezint lipo- sau glicoproteine, care se localizeaz pe suprafaa membranei celulare sau pe membrana organitelor. Ei pot s traverseze toat grosimea membranei citoplasmatice (proteine integrate) sau s fie localizate n parte interioar. Dac liganzii din molecule hidrofile(ex. neuromediatori), atunci situsul de legare trebuie s fie obligatoriu n partea exterioar a celulei. Receptorii moleculelor hidrofobe sunt legate slab de membrana celulei, iar complexele formate cu liganzi pot s ias din membran n citoplasm.Farmacoreceptorii pot fi clasificai dup mai multe criterii (localizare, natura lor, specificitate, repartiie n sinapse etc.). Diversitatea receptorilor poate fi convenional grupat n 4 categorii:

1. Receptori care controleaz activitatea cananlelor ionice (N-colinoreceptori, GABAA receptori);2. Receptori care realizeaz efectul farmacologic prin intermediul proteinei G (fig. 2)receptorii pentru angiotensin, bradichinin, endotelin; amine biogene: adrenalin, dopamin, histamin, serotonin; nucleotide i nucleozide: adenozin, ATP, ADP i a ionilor de Ca);3. Receptori care controleaz direct funcia unei enzime (receptorul este legat direct cu tirozinchinaza i regleaz fosforilarea proteinelor: receptorii pentru insulin (fig.3)i somatotropin );4. Receptori ce controleaz transcripia ADN-ului.

Primele 3 categorii de receptori sunt membranari, iar a 4 receptori nucleari. Liganzii lor (ex. hormonii steroizi i tiroidieni), datorit proprietilor hidrofobe au capacitatea de a ptrunde prin membran n interiorul nucleului datorit difuziei pasive (fig.1). Sensul biologic al recepiei intracelulare este n schimbrile eseniale i de durat n structura celulei.

Fig.1. Schema interaciunii ligand-receptor pentru hormonii steroizi.Receptorii intracelulari a hormonilor steroizi se difereniaz de ceilali prin prezena domenului capabil de a lega lanul polipeptidic cu ligandul datorit zincului i asigur legarea cu ADN-ul.

Structura proteinei G este complex. Se observ c singurul lan polipeptidic are apte spirale transmembranare, iar captul aflat n mediul extracelular are o grup NH2 terminal glicozidat.

Fig. 2. Structura i mecanismul de aciune a proteinei G la cuplarea cu liganduln prima etap are loc cuplarea ligandului cu receptorul i activarea proteinei G. Apoi (2), se elibereaz GDP de ctre subunitatea alfa, care se deplaseaz lateral i se leag cu GTP. n etapa 3, unitatea alfa activeaz proteina membranar a unei enzime sau canal ionic, producnd un rspuns celular.

Fig.3 Structura receptorului de insulinConcentraia receptorilor naturali n majoritatea esuturilor variaz n limitele de la femtomoli la picomoli. esuturile craniene au o cantitate mult mai mare de receptori datorit inervaiei nervoase extinse.

Dinamica receptorilor.

Receptorii sunt o structur dinamic. Legarea ligandului i alterarea funciei genelor poate afecta numrul, perioada de via i sensibilitatea receptorilor i canalelor. Receptorii sunt nlocuii cu alii n procesul normal de cretere a celulei, iar viaa lor dureaz de la cteva ore la cteva zile. Din ceea ce este cunoscut despre procesele de neurotransmisie i neuromodulare, este raional s presupunem c celulele int pentru substanele endogene, neurotransmitori, neurohormoni i neuromodulatori sunt sub un control tonic cromotropic, ce variaz cu ritmul cicardian a organismului. n contrast, efectele liganzilor externi administrai (ex: medicamentele), sunt foarte rar sub controlul homeostatic, i n rezultat, efectele lor devin frecvent mai mici la administrri repetate. Defapt, nu ar trebui s fie o surpriz c majoritatea agenilor terapeutici activi sunt antagoniti a funciei receptorilor.

Baza molecular a mai multor maladii se reflect n schimbarea funciei receptorului de pe membrana celular. n boala Parkinson, celulele nervoase presinaptice din substana cenuie care produc dopamin mor. Acest defect de transmitere rezult din descreterea nivelului de dopamin i ca consecin apare hipersensibilitate postsinaptic n ncercarea celulelor int de a compensa lipsa dopaminei i de a menine homeostaza. Hipercolesterolemia i fibroza chistic implic defecte n transportul substanelor n cadrul receptorilor lor nrudii. Boala Alzheimer este caracterizat prin pierderea inervaiei colinergice n diencefal care urmeaz cu degenerri a nervilor, disfuncii cognitive i sfrit letal.

Receptorii pentru medicamenteMajoritatea medicamentelor care interacioneaz cu receptorii (sau enzime) au analogi naturali (sau substrat) cunoscui. Sunt totui un anumit tip de receptori care s-au dezvoltat independent- receptori orfani pentru care medicamentele sintetice sunt unicii liganzi cunoscui. Cel mai elocvent exemplu este cel al receptorilor centrali ai benzendiazepinei (BZ) prezeni n canalul ionic GABAA . Deoarece acesta este situsul de aciune a al celor mai utilizate anxiolitice benzodiazepinice, este un receptor model cu relevan clinic. n ciuda eforturilor considerabile i a numrului impuntor de compui activi, nici un ligand natural endogen care ar modula anxietatea prin acest receptor nu a fost identificat. Alte exemple de receptori ai medicamentelor sunt familia receptorilor opioizi (pentru morfin i derivaii ei) i canabinoizi, compus din din 2 membri CB1 i CB2 prin care acioneaz urmtorii componeni: 9-tetrahydrocannibol, component activ a marijuana (psihoactiv,analgezic, antiemetic). Cuplarea receptorului VR-1 cu ligandul cunoscut capsaicin, aflat n ardei rou, induce senzaia de cald.

Unele medicamente stimuleaz sau inhib activitatea enzimelor specifice. Spre exemplu, galantamina i prozerina scad activitatea colinesterazei, ce distruge acetilcolina, i provoac efecte similare excitrii sistemului nervos simpatic. Fenobarbital i ziscorin cresc activitatea gluconiltransferazei n ficat, cu scderea nivelului de bilirubin n snge. Substanele medicamentoase pot inhiba activitatea reductazelor acidului folic, chinazei, plasminei, calicreinei, sintetaza oxidului de azot i astfel s schimbe procesele biochimice dependente de acestea.

O serie de medicamente i manifest proprietile fizico-chimice ctre membranele celulare. Aciunea celulelor n sistemul nervos i cel muscular depinde de fluxul de ioni, ce determin potenialul electric transmembranar. Unele medicamente modific transportul ionilor. Prin acest mecanism i manifest aciunea antiaritmicele, preparatele antiepileptice, anestezicele generale, antihipertensivele (inhibarea ionilor de calciu). Blocanii canalelor K+(amiodaron, ornid, sotalol) sunt antiaritmice efective. Blocarea canalelor K+dependente de ATP(glibenclamid, glimepiridsamaril) induce secreia insulinei de ctre -celulele pancreasului i sunt efective n tratamentul diabetului zaharat tip II.Comunicarea celularTransferul informaiei ntre celule i multitudinea de surse informaionale necesare pentru meninerea homeostazei celulare i viabilitii esuturilor, presupune o varietate larg a modalitilor de semnalare. Aceasta include temperatura, potenialul de membran, distensia mecanic i stressul, alterarea concentraiei de ioni (H+/K+), odorizanii i feromonii, precum i mai multe clase tradiionale a neurotransmitorilor, neuromodulatorilor i hormonilor. Aceti stimulatori fizici i compui endogeni i exercit funcia prin interaciuni cu suprafaa celular a structurilor int, de regul proteine, care sunt clasificate ca receptori. Astfel, neurotransitorii, neuromodulatorii i hormonii pot produce o cretere tranzitorie a mesagerilor celulari secunzi ca AMPciclic sau inozitol trifosfat (IP3) sau de lung durat care urmeaz cu schimbri n expresia genelor prin activarea factorilor de transcripie.Alterarea funciei receptorului poate fi rezultatul urmtoarelor fenomene: Suprastimularea receptorilor cu desensibilizarea ulterioar, datorit disponibilitii excesive a ligandului sau cuplrii puternice a receptorului activat cu sistemul mesagerului secundar.

Reducerea stimulrii la descreterii accesibilitii ligandului sau compromiterea procesului de cuplare ligand-receptor.Medicamentele care trateaz efectiv maladiile prin restabilirea defectelor asociate strii patologice n transmiterea semnalului pot aciona prin:

nlocuirea transmitorilor endogeni: Levodopa nlocuiete dopamina n boala Parkinson. Blocarea stimulrii agoniste excesive : antagonistul receptorilor H2, cimetidina blocheaz secreia acidului clorhidric , astfel reduce riscul formrii ulcerului.

internalizareareceptorului,creterea vitezei de metabolizare a acestuiasauscderea vitezei desintez a lui.Proprietile fundamentale ale substanei farmacodinamic active-afinitatea- capacitatea de a se lega de receptor; Relaiile ntre receptor i ligand, n viziunea clasic broasc-cheie, descriu un model static, n care nu sunt schimbri n conformaia receptorului. Totui Koshland descrie un model flexibil influenat de complexul format substrat enzim cauzeaz schimbri tridimensionale n structura proteinei responsabile de activitatea biologic-eficacitate- capacitatea de a se lega de receptor cu stimularea acestuia i declanarea secvenei de reacii ce vor genera efectul farmacodinamic.-potena medicamentului- reprezint capacitatea unei substane de a avea activitate biologic. Cu ct efectele biologice sunt mai intense, raportate la unitatea de greutate, cu att potena este mai mare. Din punct de vedere terapeutic, potena este cu att mai mare cu ct doza activ va fi mai mic.Principalele teorii ale interaciunii ligand-receptorTeoria Ocupaional. Substana medicamentoas, agonist sau antagonist, interacioneaz cu receptorul conformlegii aciunii maselor. Cantitatea receptorilor ocupai este proporional cu cantitii de medicament i cantitii de receptori disponibili. Creterea concentraiei de medicament va duce la creterea complexului medicament-receptor, n anumite limite, deoarece numrul de receptori este limitat. Antagonitii receptorilor acetilcolinei(ex.atropina) cauzeaz o deplasare la dreapta a curbei de doz-rspuns (DR). . Principalele reguli sunt:

1. Complexul RL poate fi reversibil

2. Asocierea receptorului cu ligandul n formarea complexului RL este definit ca un proces bimolecular, iar la disociere procesul devine monomolecular.

3. Toi receptorii n sistemul dat se presupun a fi echivaleni i capabili de a forma legturi cu liganzii independent unul de altul.

4. Formarea complexului RL nu influeneaz concentraia liber a ligandului sau afinitatea receptorilor liberi ctre leganzi.

5. Rspunsul obinut de receptorul ocupat va corespunde direct proporional numrului de receptori ocupai.

6. Rspunsul biologic este dependent de atingerea echilibrului ntre R i L .

Teoria vitezei. n baza datelor experimentale, n care persistena rspunsului mediat de ctre un antagonist variaz de la rspunsul maximal la unul mai mic pe durata blocadei receptorului, Paton a inclus viteza ca parametru a reaciei ligand-receptor. Astfel rspunsul (E) este considerat proporional cu factorul de influen (), care are o anumit eficacitate i determin o vitez a interaciunii RL (V). Astfel,

E= V

Proprietile farmacocinetice au un rol definitiv n aprecierea vitezei formrii complexelor RL cu liganzii exogeni, care n mare msur sunt medicamente. Totui aceast teorie nu ia n calcul cuplarea transducional i potenialul amplificrii dup legarea iniial a ligandului de receptor.

Teoria inactivrii

Teoria inactivrii receptorului reprezint o sintez ntre teoria ocupaional i cea a vitezei, oferind o abordare alternativ a studiului interaciunilor receptor-ligand.

unde k+1 este rata asocierii,

k-1 rata disocierii.

k2 rata constant a tranziiei complexului de la RL la RL, i cu posibilitatea regenerrii formei active a receptorului R

Teoria inactivrii presupune c complexul RL este o stare intermediar activ care duce la formarea receptorilor inactivi (R) n complexul RL. Variabila k3 este dependent de numrul de receptori formai i rata formrii R

Din aproximativ 470 structuri int prin care medicamentele i manifest aciunea, 71% din ele sunt receptori. Din aceste medicamente, 90% produc efectul lor terapeutic prin antagonismul fa de substanele endogene agoniste.Cinetica reaciei ligand- receptor

Interaciunea ntre liganzi i receptori se realizeaz datorit formrii legturilor de hidrogen i legturilor coordonative, s-au complexelor cu transfer de sarcin ion-ion, ion-dipol, forele de dispersie, Van der Waals. Legturile covalente, att de rspndite n chimia organic, sunt foarte rare n legturile dintre receptorii i ligand.

Legtura covalent apare ntre doi atomi, dac este atracia electrostatic dintre o pereche de electroni pus n comun de doi atomi i nucleele atomilor. Aceast legtur este realizat la o distan mic 1-2A, iar energie este 10-150kcal mol-1. Aceste legturi se formeaz ntre preparatele de arseniu, mercur i enzime care au grupe sullfhidrice ntre alchilfosfai i colinesteraze; dibenamin i receptorii adrenergici. Legturile ionice sunt destul de stabile. Energia legturii constitue 5 kcal mol-1. Aceasta are o anumit importan pentru asocierea preparatelor farmacologice cu receptorii. Legturi ion-dipol, energia 2-5kcal mol-1 sunt pentru orientarea preparatului farmacologic ctre moleculei receptorului. Legturile de hidrogen au energia 1-7 kcal mol-1 i particip la asocierea preparatului farmaceutic cu receptorului.

Legturile dipol-dipol particip la fixarea preparatului farmacologic n cmpul receptorului cu energia 1-3kcal mol-1 Legturile Van der Waals apolare ce stabilizeaz legtura ligand- receptor cu energia 0,2-1kcal mol-1.

Legturile hidrofobe formeaz la interaciunea medicamentelor nepolare n mediu apos.Orientarea preparatului farmacologic n cmpul receptorilor are loc cnd compuii sunt optimi i complementari. Aceasta se realizeaz cnd energia legturii este mai mare de 10kcal mol-1. Preparatul medicamentos, similar structurii metabolitului, dar care mpiedic legturii acestuia cu receptorul este numit antagonist. Dac antagonistul-medicament se leag de acelai receptor ca i liganzii endogeni, ele sunt numii antagoniti concureniali.

Agonitii:

Amplific rspunsul celular. Medicamentele care se leag de receptori induc o schimbare conformaional efectiv. Legtura cu agonist este efectiv. Agonistul poate fi att un neurotranmitor endogen sau hormon, ca i ligandului sintetic. Dac la interaciunea receptorului cu substana activ se produce un efect biologic maxim, atunci este numit agonist puternic.Agonitii pariali sunt substane ce se leag cu aceeai receptori ca i agonitii puternici, dar n pofida dozei adecvate nu poate asigura un rspuns biologic maxim, chiar la o eventual cretere a concentraiei medicamentului.Agonitii neutrali se leag cu receptorul, dar nu schimb rspunsul celular n comparaie cu nivelul bazal.

Agonitii inveri ( antagoniti)

Micoreaz rspunsul celular

Inhib efectul agonistului Legarea este inefectiv, iar activitatea intrinsec este aproape nul

Poate s se lege att cu situsurile cu care se leag agonistul, ct i cu altele n calitate de inhibitor alosteric, cu modificarea afinitii receptorului

Deosebim antagonism: Fizic- activitatea adsorbant a sorbenilor fa de toxine

Chimic- reaciile ntre baze i acizi

Funcional- interaciunea ntre colinomimeticei colinoblocante.Medicamentele care interacioneaz cu receptorii pot s manifeste tt ca agoniti ct i ca antagoniti. n acest caz avem de a face cu substane agoniste-antagoniste, sau sinergoangagoniste. Spre exemplu analgeticul opioid pentazoin, care este agonist ctre receptorii opioizi kapa i n acelai timp antagonist al -receptorilor. Aceste substane influeneaz asupra unei unumite subclase de receptor i manifest o aciune selectiv. Astfel nifedipina (antihipertensiv) blocheaz selectiv 1- adrenoreceptorii, spre deosebire de fentolamina care blocheaz 1 i 2- adrenoreceptorii.Teoria receptorului este bazat pe legea clasic a aciunei masei pentru studiul catalizei enzimelor. Extrapolarea teoriei clasice enzimelor ctre receptori este aproximativ. n interaciunea substratul enzim (ES), substratul S sufer o conversie enzimatic de cataliz ce rezult cu un produs sau produse. Datorit echilibrului stabilit, acumularea produselor au capacitatea de a inversa procesul reaciei. Alternativ, inversia poate fi utilizat n alte ci celulare i astfel elimin starea de echilibru sau poate aciona ca un modulator de feedback pentru a altera reacia ES n sens negativ sau pozitivEnzim + substrat ES E + ProdusComplexul receptor-ligand (RL) este rezultatul termodinamicii reaciei de legtur ceea ce duce la schimbri funcionale n celula int. Dup formarea complexului RL, rspunsul funcional n activarea receptorului poate fi relatat prin concentraia ligandului. Este evident c receptorii formeaz spontan complexe active ca rezultat a interaciunii cu alte proteine. Aceasta este deosebit de actual, cnd multitudinea de receptori ADNc nativi din sistemele celulare sau n asociere cu proteine care formeaz un mediul a celulei gazd n care receptorul se exprim mai repede dect n mediul su natural. Acesta este un fenomen major care caracterizeaz eficacitatea ligandului. Interaciunea spontan ntre receptor i efector poate avea loc mai frecvent ntr-un sistem unde proteinele sunt n exces i unde lipsesc factorii normali de control al acestui tip de interaciuni.Compuii au eficacitate diferit n dependen de sistemul n care ei sunt examinai , iar esutul studiat poate adesea avea proprieti agoniste i antagoniste distincte a diferitor clase de receptori.Teoria clasic a receptorilor presupune c afinitatea i eficacitatea sunt parametri independeni. Altfel spus, nu exist corelaie ntre afinitatea ligandului i capacitatea lui de a asigura un rspuns maxim. Ligandul cu o afinitate relativ joas (