Curs 3,4

Capitolul 2. FARMACOCINETICA GENERALĂ

Farmacocinetica este acea parte a farmacologiei care studiaza procesele de baza ale cineticii medicamentelor si etapele prin intermediul carora se realizeaza circulatia acestora in organism, respectiv absorbtia, distributia, biotransformarea si eliminarea medicamentelor din organism.

2.1. Procese de bază ale cineticii medicamentelor

Procesele de baza ale cineticii medicamentelor, care intervin în diverse etape ale circulaţiei acestora în organism sunt:

- trecerea prin membrane (taversarea membranelor); - legarea de proteine; - transformarea medicamentelor prin metabolizare;

2.1.1. T r a v e r s a r e a m e m b r a n e l o r

Din punct de vedere farmacocinetic organismele superioare sunt văzute ca un sistem multicompartimental în care traseul prin care medicamentul circula, actioneaza si se transforma este separat prin intermediul membranelor biologice. Traversarea membranelor este fenomenul esential al intregului ciclu farmacocinetic.

Structura fundamentala membranara a celulelor consta dintr-un strat bimolecular de fosfolipide orientate perpendicular pe planul membranei, cu capatul polar orientat catre cele doua suprafete si cu lanturile hidrocarbonate spre interior. Componenţa predominantă lipidică este hotărâtoare pentru proprietăţile fizico-chimice ale membranelor vii şi explică permeabilitatea lor pentru moleculele lipofile. In stratul bimolecular fosfolipidic sunt inglobate macromoleculele proteice globulare si glicoproteine. Acestea formeaza sau marginesc canale apoase, pori, care reprezintă adevărate porţi de legătură directă între mediul extern şi cel intern al celulei. Pereţii interni ai porilor au sarcini electrice (+) date de grupele aminice şi (-) date de grupele carboxilice şi hidroxilice ale aminoacizilor din structura proteinelor, ceea ce explică selectivitatea membranelor celulare la trecerea anumitor substanţe.

Deşi asemanatoare ca organizare generala, membranele biologice se deosebesc prin grosime, densitate, compozitie, ceea ce explica unele particularitati de absorbtie, difuzie tisulara si eliminare.

Propietatile fizico-chimice ale medicamentelor, esentiale pentru procesul de trecere prin membrane sunt:

- dimensiunea moleculei, - solubilitatea - coeficientul de partitie - gradul de ionizare.

În funcţie de proprietăţile sus-menţionate, medicamentele pot traversa membranele biologice prin următoarele mecanisme:

- filtrare sau penetrare- difuziune simplă (pasivă)- transport specializat (activ)Filtrarea sau penetrarea implică trecerea medicamentului prin pori sau prin alte

discontinuităţi ale membranei lipidice umplute cu apă. Prin urmare, prima condiţie pentru traversarea membranei prin acest mecanism este ca substanţa să fie hidrosolubulă. Pentru că diametrul porilor membranelor celulare este mic (cca 0,8 nm), prin aceşti pori nu pot trece decât moleculele hidrosolubile mici (sub 100A), ceea ce pentru medicamente constituie o situatie de exceptie. Situaţia este diferită în cazul majorităţii capilarelor, care având diametrul mai mare (6-8 nm), pot fi traversate de molecule mari, factorul limitativ în acest caz fiind reprezentat de legarea substanţei medicamentoase de proteine, macromolecule care în mod obişnuit nu trec prin porii capilari.

Difuziunea simplă (pasivă), proporţională cu gradientul de concentratie, este mecanismul ce permite traversarea fazei lipidice a membranelor de către medicamente. Difuziunea simplă este un proces fizic, pasiv. Prima condiţie pentru traversarea membranei celulare prin acest mecanism este ca substanţa să fie liposolubilă, respectiv să aibă un coeficient de partiţie grasimi-apă mare. Coeficientul de partitie intre grasimi si apa rezulta din solubilitatea relativă a medicamentelor intre doua faze nemiscibile: o grasime nepolara (ulei de măsline) sau un solvent organic (heptan, octanol), reprezentand membrana si o solutie apoasa tampon (obisnuit la pH=7,4), reprezentand plasma. Corficientul de partiţie poate fi considerat ca masura a afinitatii relative a substantei medicamentoase fata de faza lipidica si faza apoasa. Pentru stabilirea coeficientului de partiţie grăsimi-apă a fost folosit iniţial uleiul de măsline, iar în prezent se folosesc solvenţi organici lipofili ca octanolul (pentru modelarea trecerii prin mucoasa intestinală) sau heptanul, pentru traversarea barierei hematoencefalice.

În afară de liposolubilitate, difuziunea simplă este influenţată şi de polaritatea moleculelor, de gradul lor de ionizare.

Majoritatea medicamentelor sunt electroliţi slabi. În soluţie apoasă substanţele medicamentoase există sub forma unui amestec de ioni şi molecule neionizate. Ionii au o solubilitate mică în grăsimi, deoarece în jurul sarcinii lor electrice se aglomerează dipoli de apă. Prin urmare, liposolubilitatea medicamentelor, respectiv capacitatea lor de a difuza prin membrane, este determinată de constanta de ionizare – pKa- proprie moleculei. Cunoscând valoarea acestei constante se poate calcula proporţia formei ionizate pentru diferite valori ale pH-ului, folosind ecuaţia Henderson-Hasselbach.

log (concentraţia molară a formei protonate / concentraţia molară a formei neprotonate) = pKa – pH

În cazul medicamentelor acide:

log([AH]/[A-]) = pKa – pHsau rearanjând,

[A-]/[[AH] = 10 pH-pKa

iar pentru baze:

log([BH+]/[B]) = pKa – pHsau rearanjând,

[B]/[[ BH+] = 10 pH-pKa

unde: [AH] = concentraţia formei neionizate (protonate) pentru substanţele acide[A-] = concentraţia formei ionizate (neprotonate) pentru substanţele acide[BH+] = concentraţia formei ionizate (protonate) pentru substanţele bazice[B] = concentraţia formei neionizate (neprotonate) pentru substanţele bazice

Când pH=pKa, concentraţiile celor două forme sunt egale. Valoarea diferenţei pH - pKa are semnificaţii diferite în funcţie de caracterul acid sau bazic al medicamentului. Astfel, pentru medicamentele cu caracter acid valoarea pozitivă a acestei diferenţe indică o proporţie mai mare a formei ionizate, iar pentru medicamentele bazice, o proporţie mai mare a formei neionizate şi invers pentru valorile negative ale diferenţei pH - pKa.

La pH-ul obişnuit al mediului intern (puţin mai mare de 7), pentru medicamentele slab acide cu pH>7 şi pentru medicamentele slab bazice cu pH<7, predomină forma neionizată, care poate traversa cu uşurinţă membranele lipidice. Alcalinizarea pH-ului mediului intern măreşte proporţia formei ionizate a medicamentelor acide şi acidularea mediului intern măreşte proporţia formei ionizate a medicamentelor bazice.

Electroliţii tari, care disociază complet în soluţie, nu sunt practic liposolubili şi nu pot difuza prin membrana lipidică. Aşa se explică faptul că medicamentele care sunt acizi tari, ca de exemplu acizii sulfonici, sau baze tari, ca de exemplu bazele cuaternare de amoniu, nu se absorb sau se absorb limitat, nu pătrund sau pătrund puţin în mediul intracelular, (acţionând la suprafaţa membranelor), nu pot trece sau trec cu greutate în sistemul nervos central.

Transportul specializat (activ) este un mecanism în care moleculele incapabile de a traversa membrana prin difuziune simplă sunt transportate prin intervenţia unor sisteme transportoare specifice, active. Practic, molecula de medicament devine difuzibilă prin complexarea cu astfel de transportori, care preiau molecula de o parte a membranei şi o cedează de cealaltă parte, transportorul circulând în forma legată într-o direcţie, şi liber, în cealaltă, în cadrul unui proces ciclic. În mod obişnuit acest sistem activ funcţionează împotriva gradientului de concentraţie, deci cu consum de energie. Existşi situaţii când transportul se poate face în gradient de concentraţie sau de potenţial electric, în care caz nu necesită energie şi poartă numele de difuzie facilitată. Mecanismul transportor se caracterizează printr-o înaltă specificitate sterică, fixând numai anumite molecule şi putând fi inhibat competitiv de către compuşi analogi cu moleculele transportate în mod obişnuit.

Pinocitoza este o altă modalitate de transport activ, rareori întâlnită în cazul medicamentelor, care constă în înglobarea de către celulă a picăturii ce conţine substanţa dizolvată. Picătura este înconjurată de o porţiune de membrană, formând o veziculă, care apoi se detaşează de membrană, pătrunzând în citoplasmă. Sunt transportate astfel lipidele, glicerina, amidonul, vitaminele liposolubile (A, D, E,K), insulina, etc.

O serie de medicamente pot traversa membranele prin mai multe mecanisme: vitamina B12 (transport facilitat, difuziune pasiva), glicozidele tonicardiace (partial transport activ, partial difuziune pasiva), medicamentele cu molecule mici (difuziune si filtrare)

2.1.2. L e g a r e a de p r o t e i n e l e p l a s m a t i c e

Medicamentele se pot lega de diferite macromolecule din componenţa materiei vii. Din punct de vedere farmacocinetic, este foarte importantă legarea de proteinele plasmatice si anume legarea de albumină, care reprezintă jumătate din proteinele plasmatice. Alte proteine, mai puţin importante cantitativ, beta-globulina şi alfa1-glicoproteina pot forma şi ele complexe, dar cu mult mai puţine substanţe, cu caracter bazic în special. Anumite globuline leaga specific hormoni (tiroxina, hormoni steroizi), vitamine (cianocabalamina, vitamine liposolubile), metale (Zn2+, Zn2+, Fe2+)

Albumina are o greutate moleculară de 66400 şi poate lega o serie de medicamente cu caracter acid precum şi unele (mai puţine) cu caracter bazic. Legarea moleculelor medicamentoase se face in principiu la nivelul grupelor polare de pe suprafata proteinei (-NH3

+ a lizinei, -NH+ a histinei, -S- a cisteinei) prin forte electrostatice. La fixarea

medicamentelor mai pot interveni si punti de hidrogen, legaturi hidrofobe, forte van der Waals. Legarea covalenta este o situatie de exceptie. Fixarea moleculelor este influenţată de conformaţia macromoleculei proteice, care determină disponibilizarea grupelor reactive şi recunoaşterea moleculei de medicament datorită unor complementarităti infrastrcturale.

In mod obisnuit, fixarea are un caracter reversibil si dinamic, conformandu-se legii actiunii maselor:

M + P MP

Unde:M = molecula de medicament, P = molecula de proteina, MP = complexul medicament – proteina, k1 si k2 – constantele vitezelor de asociere si disociere ale complexului medicament-proteina

Fixarea reversibila se caracterizeaza prin 2 parametrii:

- afinitatea, exprimata prin constanta de afinitate Ka, care rezultă din raportul:Ka = k1/k2

- procentul de fixare, care rezulta din raportul dintre fractia legată si cantitatea totala de medicament din plasma.

Măsura în care medicamentele se leagă de proteinele plasmatice depinde de următorii factori: concentraţia medicamentului, concentraţia proteinei, afinitatea pentru locurile de legare. Fixarea moleculelor de medicament este posibilă atâta timp cât există sedii de legare disponibile (neocupate). Cum concentraţia normală de albumină este de 0,6 mM şi fiecare moleculă cuprinde două sedii de legare, capacitatea maximă de legare este de 1,2 mM. Deoarece majoritatea medicamentelor administrate în dozele uzuale, realizează concentraţii plasmatice mult mai mici de 1,2 mM, numărul de sedii de legare nu reprezintă un factor limitativ pentru fixarea moleculelor de medicament, care practic este proporţională cu concentraţia moleculelor libere de medicament. Procentul de fixare poate

fi influenţat de scăderea concentraţiei proteinelor plasmatice ca şi de intervenţia competitivă a unor metaboliţi sau a altor medicamente.

Forma legata a medicamentelor este inactivă biologic, deoarece complexul macromolecular proteină-medicament nu poate trece in tesuturi. În functie de tăria şi stabilitatea legaturii, fixarea de proteinele plasmatice poate fi o simpla modalitate de transport, poate determina retinerea in sange sau poate controla distributia către ţesuturi.Combinarea cu o proteină circulantă reprezintă un factor de modulare a concentraţiei formei libere, respectiv a difuzării tisulare şi a activităţii farmacologice.

2.1.3. T r a n s f o r m a r e a b i o c h i m i c a a m e d i c a m e n t e l o r.

Multe medicamente se metabolizează, adică sufera in organism transformari chimice, care le modifica proprietăţile fizico-chimice si biologice. Sunt metabolizati mai ales compusii liposolubili. Metabolitii rezultati rezultati sunt mai polari şi au in consecinta o solubilitate mai scazuta in grasimi. Reactiile chimice prin care are loc metabolizarea medicamentelor sunt catalizate enzimatic si sunt de mai multe tipuri: oxidari, reduceri, hidrolize şi conjugări (cuplări),

Majoritatea proceselor de biotransformare a medicamentelor are loc in ficat, sub acţiunea enzimelor microzomale si nemicrozomale.

Enzimele microzomale sunt enzime localizate în reticulul endoplasmatic neted, care este cuprins în fracţiunea microzomală a omogenatelor de organ.

Enzime microzomale metabolizante ale medicamentelor se mai găsesc şi în rinichi, mucoasa intestinală, glanda corticosuprarenală. Enzimele microzomale catalizează reacţiile de oxidare, reducere şi gluconoconjugare a multor medicamente şi ale câtorva substanţe fiziologice endogene (acizi graşi, hormoni steroidici, bilirubină).

În reacţiile de oxidare a medicamentelor care conduc la formarea unor derivaţi hidroxilici, un rol deosebit de important revine sistemului enzimatic microzomal, cunoscut sub denumirea de monooxigenază, oxidază mixtă sau hidroxilază. Acest sistem este lipsit de specificitate şi cuprinde NADPH citocrom P 450 reductaza şi citocromul P 450, care realizează transferul de electroni. NADPH este sursa de electroni, iar NADPH citocrom P 450 reductaza este o flavoproteină care reduce citocromul P 450. Acesta este o hemoproteină, care formează un complex ternar cu medicamentul (substrat) şi cu oxigenul, rezultând în final substratul hidroxilat, citocrom P 450 oxidat şi apă. Dintre cele 12 familii de citocrom P 450 identificate la om, primele 3 intervin în majoritatea biotransformărilor medicamentelor. În multe cazuri, asupra unei substanţe medicamentoase acţionează mai mulţi citocromi P 450.

Reacţiile de oxidare produse sub acţiunea enzimelor microzomale din ficat sunt: dezalchilări oxidative, oxidări ale catenelor alifatice, oxidări ale compuşilor aromatici, epoxidări, N-oxidări, sulfoxidări, dezaminări, desulfurări, S-demetilări. Tot sub acţiunea unor enzime microzomale din ficat se produc şi reacţiile de glucuronoconjugare (cu acidul uridin-difosfat glucuronic) la nivelul grupelor amino, carboxil, sulfhidril şi oxidril.

Sub acţiunea unor enzime microzomale extrahepatice se produc reacţii de azo şi nitroreducere.

O serie de enzime nemicrozomale (libere, solubile) din ficat, plasmă şi alte ţesuturi catalizează alte biotransformări şi anume: reacţii de oxidare a unor alcooli, aldehide, amine, baze purinice, reacţii de hidroliză a unor esteri, amine, peptide, reacţii de

transsulfurare, reacţii de conjugare cu acid acetic, metil-derivaţi, sulfaţi, glicină, gflutation, inclusiv formarea de ribonucleotide şi nucleozide.

Tipul de reacţie prin care se realizează metabolizarea unui medicament depinde de grupele funcţionale prezente în moleculă, după cum urmează:- grupele hidroxil alcoolice sunt oxidate sau glucuronoconjugate;- grupele hidroxil aromatice sunt glicino- sau glucuronoconjugate;- grupele aminoalifatice sunt eliminate (dezaminare) sau glucuronoconjugate;- grupele aminoaromatice sunt acetilate, glucuronoconjugate sau metilate- nucleele aromatice sunt hidroxilate.

În ceea ce priveşte viteza reacţiilor de metabolizare, aceasta poate fi: dependentă de cantitatea de medicament şi deci corespunzătoare unei cinetici de

ordinul 1, care se întâlneşte la cele mai multe dintre reacţiile de biotransformare, în care cantitatea de medicament reprezentată de dozele uzuale este mult inferioară celei necesare pentru saturarea enzimelor metabolizante.

independentă de cantitatea de medicament, ceea ce corespunde unei cinetici de ordinul 0, întâlnită destul de rar, ca de exemplu în cazul alcoolul etilic, care este metabolizat cu ritm constant, indiferent de cantitatea de introdusă în organism.

o viteză care se modifică în funcţie de cantitatea de medicament astfel: după o cinetică de ordinul 1 pentru doze relativ mici şi după o cinetică de ordinul 0, corespunzoare unei viteze scăzute, pentru cantităţile care depăşesc acste doze, saturând enzimele metabolizante.