Acciones de los fármacos I. Interacciones fármaco y receptor

2
Acciones de los fármacos I.
Interacciones fármaco y receptor
A. Pazos
I.
RECEPTORES FARMACOLÓGICOS
1. Definición y funciones
Cuando se define un fármaco como una sustancia capaz de modificar la actividad celular, se está afirmando
que el fármaco no origina mecanismos o reacciones desconocidos por la célula hasta entonces, sino que se limita
a estimular o a inhibir los procesos propios de la célula.
Para ello, el fármaco primero debe asociarse a moléculas celulares con las cuales, y en razón de sus respectivas estructuras moleculares, pueda generar enlaces de
unión que casi siempre son reversibles. Si la unión es muy
intensa o el fármaco provoca grandes modificaciones en
la molécula aceptora, puede hacerse irreversible.
Teóricamente, existen en los diversos órganos subcelulares innumerables moléculas con radicales capaces de
asociarse al fármaco y formar un complejo. Con toda probabilidad, muchas de estas asociaciones no originan respuesta celular alguna: porque la molécula celular aceptora no es modificada por la molécula farmacológica en
una forma que pueda repercutir sobre el resto de la célula o bien porque la función de la molécula aceptora del
fármaco no es suficientemente importante para operar
un cambio objetivable en la vida celular. Son sitios de fijación inespecífica.
Pero el fármaco se une también a otro tipo de moléculas que, una vez modificadas por él, originan cambios
fundamentales en la actividad de la célula (equilibrio
iónico, fenómenos de carácter metabólico, etc.) ya sea en
el sentido de estimulación o en el de inhibición. Las diversas acciones de los fármacos se producen por estas
modificaciones celulares. Las moléculas con que los fármacos son capaces de interactuar selectivamente, generándose como consecuencia de ello una modificación
constante y específica en la función celular, se denominan receptores farmacológicos.
Entre las moléculas celulares con potencial capacidad
de comportarse como receptores farmacológicos se encuentran, lógicamente, aquéllas dotadas en particular
para mediar la comunicación intercelular, es decir, los receptores que reciben la influencia de sustancias endóge-
nas, como los neurotransmisores y cotransmisores, los
neuromoduladores, las hormonas y otros mediadores endógenos que, liberados por una célula, tienen capacidad
de influir sobre la actividad de otra. Todas estas sustancias codifican la señal que han de transmitir a través de
su receptor.
Los receptores son estructuras macromoleculares de
naturaleza proteica, asociadas a veces a radicales lipídicos o hidrocarbonados, que se encuentran localizados en
gran número en las membranas externas de las células,
en el citoplasma y en el núcleo celular. Entre las respuestas funcionales que los receptores pueden desencadenar destacan:
a) Modificaciones de los movimientos de iones y,
como consecuencia, de los potenciales bioeléctricos, en
cuyo caso el receptor suele estar ligado a canales iónicos.
b) Cambios en la actividad de múltiples enzimas,
cuando el receptor está conectado a estructuras membranosas o intercelulares capaces de mediar reacciones
químicas, como fosforilación de proteínas, hidrólisis de
fosfoinosítidos, etc.
c) Modificaciones en la producción y/o la estructura
de diversas proteínas, en el caso de receptores con capacidad de modificar los procesos de transcripción y síntesis proteicas.
La generación de la respuesta de un fármaco debida a
la activación de su receptor requiere la puesta en marcha
de un mecanismo efector que suele originar, como ya se
ha señalado, un cambio en el flujo de un ion o en el nivel
de un «segundo mensajero» químico. El receptor presenta, por lo tanto, dos funciones fundamentales: unir al
ligando específico y promover la respuesta efectora. Las
consecuencias moleculares de las interacciones con los receptores más importantes se analizarán en el capítulo 3.
La mayoría de los fármacos actúan mediante la unión
a receptores específicos que poseen estas características
y comparten las propiedades que se describen a continuación. Sin embargo, existen fármacos cuyos efectos se
producen en virtud de su interacción con elementos intracelulares y extracelulares difíciles de considerar re7
8
Farmacología humana
ceptores en sentido estricto, pero que se comportan como
elementos diana de fármacos. Dentro de este grupo se incluyen: a) los fármacos que actúan inhibiendo la actividad de diversas enzimas (p. ej., la ATPasa Na+/K+-dependiente o la monoaminooxidasa); b) los quelantes, que
fijan diversos cationes; c) los fármacos que son análogos
estructurales de sustancias endógenas y que actúan como
falsos sustratos de enzimas (p. ej., los análogos de bases
púricas y pirimidínicas, con actividad antineoplásica), y
d) los que interfieren en la actividad de los transportadores ligados a los sistemas de recaptación de los neurotransmisores.
KD es la constante de disociación en equilibrio y su inversa es la constante de asociación en equilibrio (KA);
cuando la mitad de los receptores están unidos al fármaco,
es decir, cuando [R] = [AR],
2.
por lo tanto,
2.1.
Interacción entre el fármaco (ligando)
y su receptor
KD = [A]
Puesto que el número total de receptores [Rt] = [R] +
[AR], sustituyendo en [1] tendremos:
[A] [Rt] – [A] [AR] = KD · [AR], y
[A] [Rt] = [AR] [[A] + KD];
Mecanismo de la interacción
Los dos requisitos básicos de un receptor farmacológico
son la afinidad elevada por «su» fármaco, con el que se fija
aun cuando haya una concentración muy pequeña de fármaco, y la especificidad, gracias a la cual puede discriminar una molécula de otra, aun cuando sean parecidas.
La especificidad con que un fármaco o ligando se une
a su receptor permite analizar las características de su fijación mediante técnicas de marcaje radiactivo del ligando. De este modo se consigue detectar su localización
en tejidos, células y estructuras subcelulares, cuantificar
su densidad, precisar la afinidad entre fármaco y receptor, intentar su aislamiento, purificación y cristalización
y analizar su estructura.
La afinidad se debe a la formación de enlaces entre fármaco y receptor; el más frecuente es el iónico, pero puede
reforzarse con otros enlaces: fuerzas de van der Waals,
puentes de hidrógeno o interacciones hidrófobas. Excepcionalmente se pueden formar enlaces covalentes que
son los más firmes y que suelen originar interacciones
irreversibles. En general, la fijación de un fármaco A a su
receptor es de carácter reversible, por lo que puede aplicarse la fórmula:
A+R
k1
AR
k2
donde A = moléculas de fármaco, R = número de receptores libres, AR = complejo fármaco-receptor o número
de receptores ocupados, y k1 y k2 son las respectivas constantes de la velocidad de formación y desintegración del
complejo. En equilibrio, las velocidades de formación y
disociación son iguales:
[2]
[Rt] [A]
[AR] = —————
[A] + KD
[3]
o bien
Cuando [A] = KD, entonces
[Rt]
[AR] = –——,
2
es decir, la concentración de fármaco necesaria para fijarse a la mitad de los receptores es igual a la constante
de disociación. Como su inversa es la afinidad, cuanto menor sea esta concentración, mayor será la afinidad de fijación. La afinidad de un fármaco por su receptor tiene
que ser alta, con valores acordes con los rangos de concentración alcanzados por ese fármaco en los tejidos. La
velocidad de asociación es sensible a la temperatura: a
temperaturas bajas la velocidad desciende notablemente.
2.2.
Representación gráfica
Las características de la fijación de un fármaco a sus
receptores se estudian mediante cuantificación del número de moléculas marcadas y dotadas de actividad específica que se fijan a un tejido. Ello permite analizar la
afinidad del fármaco por sus receptores y precisar el número de receptores. En efecto, si a la concentración de
fármaco fijado [AR] se la denomina B, a la concentración
total de receptores [AR] + [R] se la designa Bmáx y a la
concentración de A libre (no unido a receptores) se la denomina F, de acuerdo con la ecuación [3]:
Bmáx [F]
[B] = —————
KD + [F]
[A] · [R] · k1 = [AR] · k2, por lo que:
[A] · [R]
k2
———— = —— = KD
[AR]
k1
[AR]
[A]
—–— = —————,
[Rt]
[A] + KD
[1]
[4]
Esta ecuación origina una hipérbola rectangular
cuando el eje de ordenadas es el fármaco fijado y el de
[5]
B
Si la ordenada es –— y la abscisa es B (fig. 2-1 B), la
F
1
pendiente es el negativo de la afinidad – —— y la absKD
cisa en el origen, o intersección de la recta con el eje X,
expresa el número total de receptores Bmáx.
Al poder analizar la afinidad entre fármaco y receptor,
y cuantificar el número de receptores disponibles, el método permite observar las modificaciones que, fisiológica
o patológicamente, pueden sobrevenir sobre ambos parámetros.
2
En ocasiones, la unión entre A y R no sigue la ley de acción
de masas, dando lugar a una representación de Scatchard curvilínea (fig. 2-2). Las causas más frecuentes de este fenómeno
son: a) la existencia de más de un sitio de fijación en la población marcada, con valores de afinidad diferentes, y b) interacciones de tipo cooperativo: la fijación de cada molécula del
radioligando afecta la fijación de las sucesivas moléculas, bien
de forma favorecedora (cooperatividad positiva, curva hacia
arriba) o perturbadora (cooperatividad negativa, curva hacia
abajo). Existe una transformación matemática que permite la
identificación de estos fenómenos: el análisis de Hill. Este análisis se basa en la ecuación:
B
log ————– = nH log F – nH log KD
Bmáx – B
Pendiente
Específica
100
1
– KA = – ——
KD
50
Bmáx
Inespecífica
1
2
4
6
8
10
[A] (nM)
25
50
75
100
[B]
Fig. 2-1. Curvas de fijación de un radioligando a su receptor.
A) Saturación de la fijación de un 3H-ligando A en un tejido.
El tejido es incubado con el ligando a concentraciones crecientes, estando A solo (fijación total) o con una concentración elevada de otro ligando no radiactivo (fijación inespecífica, no
saturable). La fijación específica o saturable resulta de la diferencia entre ambos valores: total menos inespecífica. B: fármaco
unido a receptor. B) Representación de Scatchard de la fijación
específica, según los datos obtenidos en A. F: fármaco libre.
A
B
Una clase de
sitio de fijación
con cooperatividad
negativa
Dos clases de
sitios de fijación
independiente
[6]
en la que nH es el coeficiente de Hill. Si el sistema sigue la ley
de acción de masas, este coeficiente debe ser próximo a la unidad. Valores de nH inferiores a la unidad indican la existencia
de más de un sitio de unión o bien la de cooperatividad negativa.
2.3.
Total
150
[B] / [F]
1
B
[B] / [F]
[B]
– [B]
Bmáx
—— = ——— + ———
[F]
KD
KD
9
A
200
[B](fmol/mg de proteína)
abscisas, el fármaco libre (fig. 2-1 A). Para hallar más fácilmente la constante de disociación y el número de receptores se recurre a la representación de Scatchard, que
es una línea recta obtenida por una sencilla transformación de la ecuación [4]:
Acciones de los fármacos I. Interacciones fármaco y receptor
[B]/[F]
2.
Curvas de competición
El método de fijación de radioligandos permite también analizar el fenómeno de competencia que se establece entre dos fármacos que poseen afinidad por un
mismo receptor. Si uno de los fármacos (A) presenta una
alta afinidad conocida y se utiliza en forma radiactiva, la
capacidad de desplazamiento del otro fármaco (I) frente
a la fijación de A es un indicador de la afinidad de I por
el receptor. El perfil de competición se obtiene cuantificando el porcentaje de la fijación de una concentración
constante de A que va quedando en la muestra a medida
que se le añaden concentraciones crecientes de I en forma
no radiactiva. La disminución de la fijación específica de
A es proporcional al aumento de la concentración de I,
[B]
[B]
Fig. 2-2. Representaciones de Scatchard curvilíneas. A) La
curvatura se debe a la existencia de dos clases de sitios de fijación independientes entre sí. B) La interacción se produce con
una clase de sitios que interactúan entre sí en la forma de cooperación negativa.
adoptando esta relación una curva en forma de S invertida cuando se representa en forma semilogarítmica
(fig. 2-3). La concentración capaz de producir el 50 % de
desplazamiento es la IC50. La constante de inhibición (Ki)
indica la afinidad de I:
IC50
Ki = —————
[A]
1 + ——
KD
donde KD es la constante de disociación de A.
[7]
10
Farmacología humana
% Fijación de 3H[5-HT]
100
A
B
C
D
50
K1(nM)
—————
A = 0,6
B = 1,5
C = 29,9
D = > 3.000
0
11
10
9
8
7
6
5
– log [M]
Fig. 2-3. Inhibición producida por los productos A, B, C y D
sobre la fijación del ligando 5-HT a un receptor. Las curvas de
desplazamiento corresponden a la existencia de ligandos que
compiten por la fijación con afinidades diferentes (v. valores
de Ki). (De Pazos A, Palacios JM. Brain Res 1985; 346:205-230,
con autorización.)
Además de determinar la afinidad de un fármaco por
el receptor, los estudios de competición, repetidos para
una serie de fármacos, permiten elaborar el perfil de afinidades farmacológicas por un receptor determinado, lo
que le confiere una identidad propia. Este tipo de análisis tiene especial interés para: a) confirmar que un nuevo
producto, que en estudios funcionales parece actuar mediante un receptor determinado, se fija de manera específica a él y b) detectar subtipos de receptores, basándose
en el diferente orden de afinidades (Ki) frente a un mismo
radioligando en diferentes tejidos (v. 5).
3.
Concepto de fármaco agonista y antagonista
El mero hecho de que un fármaco interactúe específicamente y con elevada afinidad con un receptor no es motivo suficiente para que, de dicha interacción, surja una
acción farmacológica. Para que ello ocurra es preciso que
el fármaco tenga el poder de modificar la molécula receptora en la forma necesaria a fin de que se desencadene
un efecto. La capacidad del fármaco para modificar el receptor e iniciar una acción es lo que define su eficacia. El
fármaco que presenta esta característica es denominado
agonista y el que no la presenta, es decir, que se une al
receptor, pero no lo activa, antagonista. Con frecuencia,
pequeños cambios en la estructura de un fármaco modifican su eficacia; por esta razón, dentro de una familia farmacológica, unos pueden tener propiedades agonistas y
otros, antagonistas.
4.
Sitios de fijación y estados de actividad
del receptor
Por definición, tanto los fármacos agonistas como los
antagonistas se fijan a un mismo receptor, por cuya ocupación deben competir. Sin embargo, existen diferencias
entre las propiedades de la unión de los agonistas y los
antagonistas, tanto en lo que se refiere a la afinidad como
a la influencia de otros factores: en muchos casos la fijación de los agonistas al receptor, estudiada mediante radioligandos, es modificada por la presencia o la ausencia
de diversos iones (en particular, cationes monovalentes
y divalentes) y de nucleótidos de guanina. Por el contrario, la fijación de antagonistas no se modifica en función
de la presencia de estos elementos. Además, la unión de
los agonistas a su receptor es más sensible a las modificaciones de temperatura que la de los antagonistas. Estas diferencias reflejan la singularidad de la unión del agonista a su receptor, en tanto que va a originar la respuesta
bioquímica final.
Asimismo, el estudio experimental de la interacción ligando-receptor revela a menudo la existencia de dos sitios de fijación para un mismo receptor, uno de alta afinidad y otro de baja afinidad, por los cuales el agonista y
el antagonista pueden mostrar diferentes capacidades de
fijación, lo que plantea la complejidad de la competencia
entre ambos fármacos.
Los agonistas reconocen de forma bastante selectiva los sitios de alta afinidad, que son los que están directamente implicados en la respuesta funcional, en tanto que los antagonistas
tienden a ocupar ambas poblaciones de sitios (alta y baja afinidad). Se ha propuesto que la existencia de estas poblaciones
obedece a diversas conformaciones del receptor. El antagonista
no ocupa necesariamente el mismo sitio que el agonista en la
molécula receptora.
El modelo de sitios de alta y baja afinidad se ha desarrollado
para aquellos receptores cuyo mecanismo de generación de respuesta se relaciona con la asociación a una proteína G. Las características detalladas de estos mecanismos de transducción se
estudian en el capítulo 3. Hasta cierto punto se puede generalizar el modelo asumiendo la existencia de dos posibles estados
del receptor, activo e inactivo (conformación abierta y cerrada
de un canal, estado de acoplamiento o de desacople a proteína
G). Las posibilidades de desarrollo de este modelo y las perspectivas farmacológicas que abre se exponen con cierto detalle
más adelante (v. II, 3).
5.
Subtipos de receptores
Un ligando L puede ejercer una gran variedad de efectos fisiológicos y farmacológicos en función de los diversos sistemas (órganos y tejidos) en los que actúe. Si se demuestra que algunas de estas acciones son imitadas
selectivamente por un grupo A de fármacos de su misma
familia, y otras acciones lo son por otro grupo B de congéneres, puede sugerirse que L y las sustancias A actúan
sobre un subtipo de receptor distinto del que ocupan, en
el segundo caso, el propio L y sus congéneres B. El hallazgo de antagonistas selectivos para unos y otros efectos confirma la existencia de dichos subtipos (p. ej., receptores muscarínicos y nicotínicos de la acetilcolina).
Sin embargo, la diferenciación funcional de subtipos
de receptores se realiza con mayor seguridad mediante el
análisis del rango de potencia de agonistas y antagonis-
2.
tas. Cuando un grupo de agonistas de una misma familia
mantiene un orden de potencia determinado en relación
con algunas respuestas (A) y un orden distinto de potencia en relación con otras (B), se puede afirmar que las respuestas A dependen de un subtipo de receptor distinto
del activado para provocar las respuestas B. De igual
forma, la existencia de un orden diferente de potencia
para una serie de antagonistas en diversas respuestas indica la existencia de diversos subtipos de receptores
(p. ej., receptores a-adrenérgicos y b-adrenérgicos).
Además de su demostración por métodos funcionales,
también es posible poner de manifiesto la existencia de
subtipos de receptores mediante los estudios de fijación
de radioligandos. En este caso, cuando el orden de afinidades (Ki) mostradas por diversos fármacos agonistas y/o
antagonistas en curvas de competición es diferente en
función del sistema o tejido analizado, se puede hablar
de subtipos de sitios de fijación. El orden de Ki debe, en
principio, concordar con el orden de potencia encontrado
en estudios funcionales.
6.
Desensibilización de receptores
Es la pérdida de respuesta de una célula a la acción de
un ligando, como resultado de la acción de este ligando
sobre la célula. La desensibilización es un componente
importante de la capacidad homeostática en los procesos
de activación celular y tiene evidentes consecuencias de
carácter fisiológico y patológico. La desensibilización determina que la célula quede protegida frente a la estimulación excesiva o prolongada. En Farmacología, la
desensibilización proviene de la acción del fármaco agonista. Cuando se desarrolla de manera rápida, se la denomina también tolerancia aguda o taquifilaxia, y si lo
11
Agonista
Vesícula
cubierta
Receptores
Vesícula
intracelular
(endosoma)
Receptor
degradado
Aparato
de Golgi
Síntesis de
receptores
Regulación de receptores
Los receptores, como moléculas específicas de las células, poseen un ciclo biológico determinado, de forma
que su turnover o velocidad de recambio está definido por
el equilibrio entre los procesos de síntesis, movimiento y
desintegración, dentro de sus sistemas específicos de regulación (fig. 2-4). Es posible estudiar la influencia de los
factores que regulan la presencia y la actividad de los receptores en un sistema determinado. En lo que se refiere a la densidad, esta regulación puede ser por incremento (up-regulation) o por disminución (down-regulation).
Sin embargo, la modificación del número de receptores no es el único mecanismo de regulación ya que, aunque no varíe la cantidad, puede haber modificaciones en
la afinidad o, lo que es más importante, en la capacidad
para convertir la ocupación del receptor en respuesta biológica.
A continuación se describen los diversos tipos de desensibilización e hipersensibilidad de receptores. Los mecanismos moleculares desencadenantes de estas respuestas se estudian en el capítulo 3.
6.1.
Acciones de los fármacos I. Interacciones fármaco y receptor
Retículo citoplásmico
Núcleo
Fig. 2-4. Diagrama esquemático del ciclo biológico de los receptores de membrana (v. texto). (De Pratt W, Taylor P. The
Basis of Pharmacology. Nueva York: Churchill Livingstone,
1990, con autorización.)
hace de forma lenta en el curso de días, tolerancia crónica.
Se habla de desensibilización homóloga cuando la presencia del ligando afecta únicamente la capacidad de respuesta del receptor ocupado por dicho ligando. Esta desensibilización puede llevar consigo: a) una disminución
en la afinidad, como consecuencia del modificaciones
conformacionales del receptor y b) una reducción en el
número de receptores, ya sea por inactivación, secuestro
hacia el interior de la célula, degradación metabólica o
reducción en la síntesis de nuevas moléculas receptoras.
En la desensibilización heteróloga se produce una pérdida de respuesta no sólo a la acción del ligando, sino también a la de agonistas de otros receptores. Por lo tanto, la
reducción de la respuesta se debe a cambios tanto en el
receptor como en los elementos posreceptoriales comunes a diversos tipos de agonistas.
6.2.
Hipersensibilidad de receptores
Es el incremento de respuesta de una célula a la acción
de un ligando como resultado de la falta temporal de ac-
12
Farmacología humana
ción de dicho ligando sobre la célula. Es un fenómeno fisiológico que se produce con frecuencia cuando se desnerva una vía nerviosa o cuando se bloquea un receptor
con fármacos de carácter antagonista, o cuando se depleciona el neurotransmisor de una vía nerviosa. En lo que
se refiere al receptor propiamente dicho, se puede observar el aumento de su número como consecuencia de
un incremento en el proceso de síntesis o de una disminución de la degradación y el incremento de la afinidad.
7.
Relación entre ocupación de receptores
y respuesta farmacológica
La intensidad del efecto farmacológico, EA, producido
por un agonista A como consecuencia de la formación del
complejo AR, define el grado de eficacia del fármaco. La
magnitud de la respuesta de A es una función positiva,
pero no necesariamente lineal, del grado de ocupación de
receptores:
1
II. INTERACCIONES ENTRE FÁRMACOS
AGONISTAS Y ANTAGONISTAS
Acciones de los fármacos agonistas
El análisis de las relaciones entre concentración de
agonista y efecto, que se desarrolla a continuación, se basa
en la teoría ocupacional, es decir, en la asunción de que
el efecto farmacológico es función de la cantidad de receptores ocupados. Aunque este modelo es el más aceptado comúnmente, existen otros, como el basado en la
teoría operacional, cuyo desarrollo no se expone en este
caso.
2
EA
AR
——— = f e · ——
Emáx
Rt
Alteraciones de los receptores en patología
Con frecuencia se detectan modificaciones en la densidad o en las propiedades de los receptores en diversos
procesos patológicos. En muchas ocasiones, la alteración
del receptor es de carácter secundario, bien como respuesta reguladora a cambios en la concentración de su ligando natural, bien como una consecuencia de alteraciones en las poblaciones celulares en las que los receptores
se encuentran. Un ejemplo de la primera situación es la
disminución de receptores b-adrenérgicos cardíacos en
la insuficiencia cardíaca congestiva, como consecuencia
de la hiperestimulación simpática mantenida. La pérdida de receptores colinérgicos y noradrenérgicos cerebrales en ciertas enfermedades neurodegenerativas, como la
enfermedad de Alzheimer, ilustra la segunda posibilidad.
Pero existen otras entidades patológicas que están causadas primariamente por alteraciones en los receptores o
en sus sistemas efectores. Entre ellas se incluyen la miastenia grave, causada por un déficit inmunitario de receptores colinérgicos nicotínicos, o alguna forma de diabetes mellitus, en la que existe una depleción de receptores
insulínicos de origen autoinmune. De igual forma, varios
productos de oncogenes, capaces de transformar células
normales en neoplásicas, son formas aberrantes de diversos receptores. Por último, debe tenerse en cuenta
que, además de afectar las moléculas receptoras propiamente dichas, los procesos patológicos alteran también
con frecuencia los mecanismos posreceptor que median
las respuestas funcionales, ya sean los transductores de
señal o los efectores bioquímicos finales.
1.
1.1.
[8]
donde Emáx = efecto máximo y e = eficacia.
De las ecuaciones [2] y [8] se deduce que:
5
6
EA
[A]
——— = f e —————
Emáx
KD + [A]
[9a]
o bien:
EA = Emáx · f
5
6
1
e · ————
KD
1 + ——
[A]
[9b]
[A]
Al parámetro e ————— se lo conoce también con
KD + [A]
el nombre de estímulo (S), de forma que
EA
——— = f(S)
Emáx
[10]
La naturaleza de la función f guarda relación con los
fenómenos de transducción y amplificación de la respuesta ligados a las consecuencias moleculares de la unión
entre fármaco y receptor (v. cap. 3). La eficacia (e) está
íntimamente relacionada con el término «actividad intrínseca».
En las ecuaciones [8] y [9a] quedan implícitos los siguientes supuestos: a) la combinación de una molécula
de A con el receptor es un estímulo de todo o nada; b) el
efecto farmacológico es proporcional al nivel de estímulo
generado, y c) el complejo AR se forma con facilidad y
se disocia con cierta rapidez.
La eficacia (e) es una magnitud relacionada, por una
parte, con la capacidad intrínseca de A para generar el
estímulo y, por la otra, con el número total de receptores
existentes en el sistema. Por ello, puede considerarse que:
e = e · Rt
[11]
siendo e una constante propia del fármaco, que indica su
capacidad de estímulo por unidad receptora y que se denomina eficacia intrínseca.
2.
Combinando las ecuaciones [9a] y [11],
5
6
EA
e · Rt [A]
——— = f —————
Emáx
KD + [A]
E /Emáx
A
1,0
[12]
que es la ecuación fundamental de las relaciones ocupación-respuesta farmacológicas. De esta ecuación se deduce que la respuesta farmacológica depende de dos variables ligadas al propio fármaco A, e y KD, y de otras dos
dependientes del tejido o sistema estudiado, f y Rt.
1.2.
Acciones de los fármacos I. Interacciones fármaco y receptor
Curva dosis-efecto
La representación gráfica en la que se relacionan la
concentración de A y la respuesta farmacológica resultante como fracción del efecto máximo alcanzable origina
una curva dosis-respuesta. Las propiedades de dicha
curva se analizan clásicamente a partir de la ecuación [9a]
y suponiendo que f sea lineal. En este caso, si la concentración se expresa en forma aritmética, la curva es hiperbólica, comienza en el origen y se aproxima asintóticamente a Emáx (fig. 2-5 A). Si la concentración de A se
expresa en forma logarítmica, la representación adquiere
la forma de una curva sigmoidea simétrica que se acerca
asintóticamente al valor 0 y al valor máximo (fig. 2-5 B);
es simétrica aproximadamente en el punto en el que se
consigue el 50 % del efecto máximo, obteniéndose en dicho punto la pendiente máxima de la curva: en esa porción central, la curva se aproxima a una línea recta.
Una representación doble recíproca origina una transformación en forma de recta.
La posición lateral de la curva a lo largo del eje de abscisas indica la potencia y se relaciona con la afinidad del
fármaco por su receptor. A mayor potencia, menor cantidad de fármaco será necesaria para conseguir un efecto determinado. En el caso teórico en que f es lineal de
1
acuerdo con [9b], EA = –— Emáx cuando KD = A, es decir,
2
la concentración de fármaco necesaria para conseguir la
mitad del efecto máximo expresa la KD y, por lo tanto, la
afinidad. Dicha concentración se denomina dosis eficaz
50 o DE50.
La pendiente de la curva indica el nivel de variación
de dosis para modificar el grado de respuesta. Por último,
el efecto máximo alcanzado se relaciona con la capacidad
de producción de la respuesta farmacológica (fig. 2-5 B);
para un mismo sistema, dicho efecto máximo puede considerarse como un indicador de la eficacia.
E /Emáx
0,75
0,5
0,5
0,25
B
1,0
0,75
13
Emáx/2
0,25
KD
KD
0
0
0
2
4
6
8
10–2
10
10–1
[A], escala aritmética
100
101
102
[A], escala logarítmica
Fig. 2-5. A y B) Curvas teóricas dosis-respuesta en las que el
efecto se representa como porcentaje de la respuesta máxima.
KD es la constante de disociación del fármaco [A] en el equilibrio (v. texto).
Surge así el concepto de receptores de reserva para definir la
población de receptores cuya ocupación no es necesaria para
lograr el efecto máximo. La existencia de dicha población de receptores se demuestra mediante estudios de bloqueo parcial
irreversible, que ponen de manifiesto cómo un fármaco continúa alcanzando el mismo efecto máximo a pesar de estar inactivada una parte de los receptores del sistema (fig. 2-6). La cuantía de la población de receptores de reserva puede variar
dependiendo no sólo del tejido en el que se estudie, sino también en función del agonista utilizado. Así pues, debe entenderse que dicha población es virtual y corresponde a receptores no requeridos para lograr el efecto máximo de un fármaco
E/Emáx
1
0,5
[B] =
0
0,001
0,01
0,1
10–2
10–1
100
101
102
[A]
1.3.
Receptores de reserva
Dado que la función f que relaciona la proporción de receptores ocupados y la respuesta es, con frecuencia, no lineal, ello
indica que un fármaco agonista puede alcanzar el efecto máximo sin necesidad de ocupar todos los receptores del sistema.
Fig. 2-6. Curvas dosis-efecto para un agonista completo A solo
y con concentraciones crecientes de un bloqueante irreversible del receptor B. Obsérvese que el efecto máximo se mantiene hasta que se bloquea de forma irreversible una gran proporción de receptores, ilustrando así el concepto de receptores
de reserva.
14
Farmacología humana
determinado en un sistema determinado. No constituye, por lo
tanto, una fracción de receptores que deban considerarse funcionalmente independientes o diferentes.
A medida que la función f se aparta de la linealidad y se utilizan fármacos agonistas capaces de producir respuestas con bajos niveles de ocupación, los valores de DE50 y KD se separan,
y la estimación funcional de la afinidad a partir de la DE50 de la
curva dosis-efecto se vuelve inexacta.
De lo expuesto anteriormente se deduce que la eficacia intrínseca de diversos agonistas en un mismo sistema puede ser
diferente y, por lo tanto, éstos pueden producir efectos iguales
con proporciones de ocupación diferentes. En este sentido, se
puede diferenciar, al menos, entre agonistas completos, aquellos altamente eficaces, capaces de producir efectos con una baja
proporción de receptores ocupados, y agonistas parciales, aquellos que presentan bajos niveles de eficacia y producen efectos
máximos menores que el agonista completo. La utilización de
los primeros permite identificar la existencia de una población
de receptores de reserva, que se reduce claramente cuando se
usa un agonista parcial.
2.
Acciones de los fármacos antagonistas
Cuando dos fármacos, A y B, poseen afinidad por un
mismo receptor y actúan de forma simultánea, se interfieren mutuamente para ocupar el receptor. En un sistema determinado, si la eficacia intrínseca eB de B es menor que la eA de A, la ocupación de receptores por parte
de B restará intensidad al efecto que conseguiría A si actuase solo. El fármaco B se convierte entonces en un antagonista competitivo de A.
La interacción de ambos fármacos con los receptores
será:
[A] + [B] + [R]
[AR] + [BR] ! Efecto
y el efecto total resultante de la acción de A y B será:
EAB
Emáx
2.1.
eA · Rt · KB [A] + eB · Rt · KA [B]
—— = f ——————————————
[13]
KAKB + KB [A] + KA [B]
1
2
Antagonistas puros
Si se representa gráficamente la relación entre el efecto
conseguido por dosis crecientes del agonista A con varias
concentraciones constantes del antagonista puro B, se obtiene una familia de curvas que alcanzan, todas ellas, el
máximo efecto posible: el antagonismo es vencible con
sólo aumentar suficientemente la dosis del agonista.
Dado que la eficacia intrínseca eB del antagonista competitivo puro es 0, las curvas tienen la misma forma desde
el origen y son paralelas (fig. 2-7 A), y la ecuación [13] se
convierte en:
EAB
eA · Rt · KB [A]
—— = f ———————————
1
2
[14a]
Emáx
o también
KAKB + KB [A] + KA [B]
——
EAB = f
Emáx
1
2
eA · Rt ——————————
1
KA
[B]
1 + —— 1 + ——
[A]
KB
1
2
[14b]
Si se denomina A1 a la concentración de agonista capaz de
producir una respuesta determinada en ausencia del antagonista B, y A2 a la concentración de agonista necesaria para producir, en presencia de B, la misma respuesta que A1, comparando [14b] y [9b] se obtiene finalmente:
A2
[B]
—— = —— + 1
A1
KB
[15]
Esta ecuación cuantifica la relación entre la presencia de antagonista y el incremento de la concentración de agonista necesario para mantener el nivel de respuesta, ilustrando que la
cuantía de dicho incremento es directamente proporcional a la
concentración y la afinidad del antagonista.
A2
Si a la razón de concentraciones (o de dosis) —— se la deA1
nomina dr, se obtiene:
[B]
dr – 1 = ——
KB
y obteniendo logaritmos:
log (dr – 1) = log [B] – log KB
[16]
que define una recta conocida como recta de Schild. El análisis
de esta recta permite determinar la naturaleza competitiva del
antagonismo y calcular la constante de afinidad del antagonismo. Cuando dr = 2, –log KB (pKB) = –log [B]; esto corresponde al valor de pA2, un parámetro empírico que estima la
constante de disociación en equilibrio del antagonista.
2.2.
Agonistas parciales
En el caso de los agonistas parciales, estos fármacos
producirán cierto efecto farmacológico cuando se administren solos, aunque sin alcanzar el efecto máximo de los
agonistas completos. Si actúan simultáneamente con otro
agonista de mayor eficacia, el efecto resultante de las acciones de ambos mostrará una familia de curvas como la
representada en la figura 2-7 B: las curvas se cruzan en el
punto que corresponde a la eficacia máxima del agonista
parcial. La respuesta al agonista completo o puro a concentraciones por debajo de las que corresponden al punto
de cruce, en presencia del agonista parcial, no llega a ser
aditiva (entre agonista puro y agonista parcial). A concentraciones de agonista puro por encima del punto de
cruce, la respuesta total será inferior a la que correspondería si no estuviera presente el agonista parcial: es entonces cuando el agonista parcial muestra plenamente su
capacidad antagonista, que será tanto mayor cuanto más
elevada sea su concentración; el antagonismo, en cual-
2.
EAB
Acciones de los fármacos I. Interacciones fármaco y receptor
A
EAB
1,0
1,0
0,8
0,8
0,6
[B] = 0
1 4
16
0,6
64
0,4
15
B
[B] = 0
1 4
16
64
0,4
eA = 1
eB = 0
eA = 1
eB = 0,25
0,2
0,2
0
0
10 –1
1
100
2
10
10 –1
10
100
101
102
[A]
[A]
Fig. 2-7. Curvas teóricas dosis-efecto obtenidas mediante asociación de concentraciones crecientes del agonista completo A con
concentraciones fijas de un antagonista B puro (A) o de un agonista parcial B (B). Cada curva corresponde a una concentración diferente de B.
quier caso, es vencible.
2.3.
puesta. Sin embargo, a medida que se incrementa la concentración del antagonista, el desplazamiento hacia la derecha se acompaña de una progresiva reducción del efecto
máximo (fig. 2-8).
Antagonismo no competitivo
Respuesta (%)
Respuesta
Cuando el antagonista B actúa sobre un sitio de fijación íntimamente relacionado con el receptor, pero diferente del de reconocimiento del agonista, se produce un
fenómeno de antagonismo no competitivo. En este caso,
la acción del agonista queda anulada, sin que el incremento de su concentración permita alcanzar una ocupación máxima de receptores. Las curvas dosis-respuesta
obtenidas por A en presencia de B pueden variar considerablemente en función del tejido utilizado, debido a la
distinta eficiencia del acoplamiento entre estímulo y res-
[B] = 0 1 3 5
20
–2
–1
log ([A]/KA )
100
0
Antagonismo funcional
Cuando dos fármacos, A y B, actúan sobre diferentes
receptores, generando respuestas sobre un mismo sistema efector, puede suceder que de la interacción de B
con su receptor resulte una acción que impida o interfiera
en la respuesta provocada por A al unirse al suyo. En este
caso se produce un antagonismo funcional, en el que B
se comporta como un antagonista no competitivo, produciéndose una depresión del efecto máximo alcanzado
(fig. 2-9).
500
–3
Antagonismo irreversible
El antagonismo irreversible se produce cuando la fijación del antagonista al receptor es muy intensa, por ejemplo, en uniones de tipo alquilo. Este antagonismo es
tiempo-dependiente, puesto que cuanto más prolongado
sea el contacto del tejido con el antagonista, mayor será
la magnitud del antagonismo. Los antagonistas irreversibles generan curvas dosis-respuesta similares a las de los
antagonistas no competitivos, es decir, una depresión del
efecto máximo que no es vencible mediante el incremento
de la concentración del agonista.
2.5.
Estímulo
–4
2.4.
1
2
Fig. 2-8. Efecto de diversas concentraciones de un antagonista no competitivo B sobre la respuesta farmacológica provocada por un agonista A. (De Kenakin TP, 1987, con autorización.)
2.6.
Antagonismo químico
Este tipo de antagonismo no está relacionado con la
interacción fármaco-receptor, sino que se debe al hecho
de que el antagonista reacciona químicamente con el agonista, neutralizándolo e impidiendo, por lo tanto, que
16
Farmacología humana
1
EAB
[B] = 0
0,25
0,75
0,67
0,5
1,5
4
0,25
8
0
10–1
100
101
[A]
Fig. 2-9. Antagonismo funcional. Curvas obtenidas mediante
combinación de concentraciones crecientes del agonista A (abscisas) con concentraciones fijas de B. Cada curva corresponde
a una concentración diferente de B.
pueda ejercer sus efectos. Ello origina la denominada incompatibilidad química.
3.
Relaciones entre estados de actividad y eficacia
Como se ha comentado anteriormente, un receptor R se
puede encontrar en 2 estados, activo e inactivo. El agonista
modifica el receptor con el fin de generar una determinada respuesta fisiológica: este proceso puede considerarse una isomerización del receptor desde el estado R hasta el R*, entendiéndose este último como el receptor transformado tras la
unión al agonista. El cambio de R a R* podría ser el paso de
estado cerrado a abierto para un canal o la formación de un
complejo ternario [ART] con la proteína de acoplamiento T.
Este planteamiento asume que R* no es idéntico a R y que, por
lo tanto, el equilibrio entre A y R no puede definirse sólo por
el valor de KD del fármaco A.
Por esta razón se define un valor de constante de disociación
observada (Kobs):
Kobs
[A] + [R]
K1
[AR]
K2
[AR*]
donde K1 corresponde a la KD del fármaco A, tal y como se ha
definido previamente, y K2 es una constante que define el proceso de isomerización de R. En el caso de receptores que requieren acoplamiento a transductores proteicos para generar
efecto (como es el caso de las proteínas G), la ecuación puede
expresarse así:
Kobs
[A] + [R]
K1
[AR] + [T]
K2
[ART]
siendo T la proteína transductora. Si se asume que la cantidad
de complejo ternario necesaria para la producción de efecto es
muy pequeña, en comparación con la concentración total de
transductor:
K1
Kobs = —————
1 + [T]/K2
En este caso, K2 sería la resultante de 2 constantes: un factor,
denominado M, que regula la capacidad espontánea de acoplamiento de R (inactivo) con T y otro factor, a, definidor del equilibrio entre el fármaco A y el receptor ya preacoplado RT (activo).
Cuando el fármaco A favorece el paso del receptor al estado
activo (o formación del complejo ternario) y, por lo tanto, la generación del efecto fisiológico del sistema, se corresponde con
el definido clásicamente como agonista (ya sea completo o parcial, en función de su eficacia). Un antagonista puro muestra la
misma afinidad por ambos estados del receptor, sin modificar
el equilibrio entre ambos ([R] y [RT] en el caso de receptores
acoplados a transductores). Por último, pueden existir fármacos con afinidad preferente por el estado inactivo (con tendencia a desestabilizar el complejo ternario): estos fármacos, que
muestran eficacia negativa, se conocen como antagonistas negativos o agonistas inversos y su efecto farmacológico es el
opuesto al de los agonistas puros.
El fármaco agonista tiene un valor de a > 1. En el caso del
antagonista puro a = 1, mientras que para el antagonista negativo a < 1.
Existen datos que sugieren la existencia de cierto grado de
isomerización espontánea desde R hasta R* con la consiguiente
respuesta funcional. Además, se ha demostrado para algunos receptores asociados a proteínas G que la mutación de ciertos aminoácidos de su secuencia da lugar a la generación de respuesta
efectora en ausencia de antagonista. Todos estos resultados sugieren la existencia de cierto nivel de actividad receptorial constitutiva, al menos para aquellos receptores asociados a proteínas
G, y hacen necesario introducir un factor más de complejidad en
el desarrollo del modelo ternario. En este mismo sentido, es de
especial interés la reciente identificación de mutaciones activadoras en la secuencia de receptores proteína G-dependientes en
algunas entidades patológicas caracterizadas por una marcada
hiperfunción de los sistemas efectores.
BIBLIOGRAFÍA
Badía A. Análisis de la interacción funcional fármaco-receptor: agonismo y antagonismo. En: García Sevilla JA, ed. Receptores para
Neurotransmisores. Barcelona: Ediciones en Neurociencias, 1996.
Barturen F, García Sevilla JA. El problema de los receptores de reserva
en el análisis de datos farmacológicos. En: Badía A, Domínguez-Gil
A, Garzón J, eds. Tratamiento de datos en farmacología. Barcelona:
Fundación Dr A Esteve, 1989.
Bylund DB, Yamamura HI. Methods for receptor binding. En: Yamamura HI, Enna SJ, Kuhar MJ, eds. Methods in Neurotransmitter Receptor Analysis. Nueva York: Raven Press, 1990.
Kenakin TP. Pharmacologic analysis of drug-receptor interaction.
Nueva York: Raven Press, 1993.
Kenakin TP, Bond A, Bonner TI. Definition of pharmacological receptors. Pharmacol Rev 1992; 44: 351-362.
Lefkowitz RJ, Cotecchia S, Samana P, Costa T. Constitutive activity of
receptors coupled to guanine nucleotide regulatory proteins. Trends
Pharmacol Sci 1993; 14: 303-308.
Miralles A, García Sevilla JA. Caracterización de receptores mediante
la unión de radioligandos. En: García Sevilla JA, ed. Receptores para
Neurotransmisores. Barcelona: Ediciones en Neurociencias, 1996.
Molinoff PB, Wolfe BB, Weiland GA. Quantitative analyses of drugreceptor interactions. II. Determination of the properties of receptor subtypes. Life Sci 1981; 29: 427-433.
Ruffolo RR. Important concepts of receptor theory. J Auton Pharma-