Los efectos de las drogas pueden estudiarse y medirse a distintos niveles de complejidad organismo intacto células organizadas (tejidos y órganos) células estructuras subcelulares moléculas biológicas receptores fisiológicos estructuras macromoleculares funcionales blanco de drogas

enzimas proteinas involucradas en transporte ácidos nucléicos

una droga es potencialmente capaz de alterar la velocidad de cualquier función del organismo interaccionando con la macromolécula funcional adecuada las drogas no crean efectos, solo modulan funciones existentes sin conferir nuevas funciones a la célula (la terapia génica es una excepción)

La mayoría de las drogas actúan interaccionando con la células, ya sea con componentes intracelulares o componentes de la membrana Algunas actúan extracelularmente y no involucran interacciones droga- molécula receptora Los efectos biológicos son consecuencias no específicas de las propiedades químicas de la droga: neutralización del ácido gástrico con antiácidos antídotos en envenenamiento desinfectantes como alcohol, detergentes, derivados fenólicos

1

Receptor es una macromolécula o un complejo macromolecular que se une con alta selectividad estructural a determinados ligandos, resultando en un efecto característico

El receptor incluye el reconocimiento del ligando y el mecanismo para generar el estímulo inicial

droga

receptor

estímulo inicial

sistema amplificador

sistema efector

efecto

sitio receptor señal de entrada

transducción señal amplificación modulación

señal de salida

Los receptores pueden clasificarse de acuerdo a la naturaleza del ligando neurotransmisores: responden a moléculas de señalización en el sistema nervioso central y periférico hormonas: responden a ligandos de naturaleza hormonal (mayoritariamente péptidos) drogas: incluyen los sitios selectivos de reconocimiento y unión de drogas que resultan en un efecto característico; la función fisiológica del sitio de reconocimiento es desconocida sabor/olor: ubicados en la lengua y mucosa nasal, responden a moléculas asociadas a sabores y olores toxinas de sistema inmune: anticuerpos de luz: rodopsina

2

Otra clasificación se basa en la secuencia primaria de aminoácidos del receptor Un pequeño número de subfamilias de receptores comparten estructuras homólogas y mecanismos de acción comunes Estas subfamilias corresponden a: Receptores que abren canales de iones Receptores con actividad enzimática Receptores acoplados con proteinas-G (segundo mensajero) Receptores nucleares que regulan la transcripción de distintos genes Las subfamilias de receptores están acopladas a distintos sistemas celulares que producen los efectos dando lugar a la respuesta celular

La mayoría de los receptores se encuentran en la membrana celular droga anfifílica

grupos polares

droga polar exterior

restos alquilo no polares

interior lípidos de membrana

droga no polar

moléculas de colesterol

3

Canales de iones Son poros en la membrana celular que al abrirse permiten el paso de iones inorgánicos pequeños (Na+, K+, Ca+2, Cl-)

Pueden abrirse por una variedad de mecanismos, los más comunes son por unión de un ligando (activados por ligando) o por una diferencia de potencial (activados por voltaje)

Los receptores de varios neurotransmisores forman canales selectivos de iones en la membrana plasmática. Difunden sus señales alterando el potencial de la membrana celular o la composición iónica del citoplasma

Canales de iones activados por ligandos Esta subfamilia incluye: AcO

receptor nicotínico de acetilcolina N(CH 3)3

receptores de los aminoácidos excitatorios (aspartato y glutamato)

receptores de los aminoácidos inhibitorios (GABA y glicina) H N 2

CO2H

NH 2

receptores serotoninérgicos 5HT3 HO

Alta homología: provienen de un único gen ancestral y pertenecen a una única superfamilia de genes

N H

Efectos muy rápidos (milisegundos)

4

El receptor neuromuscular nicotínico de acetilcolina es un pentámero en que 5 subunidades se ensamblan para formar el canal. Los receptores de glicina y GABA tienen una estructura similar

acetil colina exterior

interior

Ligandos excitatorios: inducen la apertura del canal aumentando la permeabilidad a los iones (principalmente Na+ y K+). La corriente hacia adentro de Na+ despolariza la célula y genera un potencial de acción

El receptor GABAA también es un pentámero en que 5 subunidades se ensamblan para formar el canal de cloruro

GABA: ligando H2N

neuroesteroide potenciador

CO2H

neuroesteroide potenciador

neuroesteroide activador

Ligandos inhibitorios: abren canales aniónicos (Cl-) anulando el disparo del potencial de acción

5

Actividad de benzodiazepinas sobre el receptor GABAA

O

N

N N

Cl

N COOEt

COOEt

N

N N

F O diazepam (agonista)

flumazenil (antagonist)

actividad intrínseca positiva sobre el receptor GABAA (tranquilizante)

sin actividad intrínseca sobre el receptor GABAA (antídoto en intoxicación)

N Cl

O

Ro 15-3505 (agonista inverso) actividad intrínseca negativa sobre el receptor GABAA (proconvulsivo)

Receptores con actividad enzimática intrínseca La unión del ligando en el dominio extracelular activa una actividad enzimática en el dominio intracelular del receptor La actividad enzimática asociada es la fosforilación de residuos de tirosina del mismo receptor o guanilil ciclasas que convierten GTP en cGMP Esta familia incluye el receptor de insulina y los receptores de factores de crecimiento (epidérmicos, de nervios, de plaquetas, vasculares, etc.) Estos receptores pueden producir efectos rápidos y lentos en las células que resultan en acciones celulares complejas homodímero del receptor

exterior

receptor de hormona de crecimiento

interior dominio de tirosina kinasa

tirosina kinasa activada

6

Translocación de cromosomas en la Leucemia Mielógena Crónica abl = tyr protein-quinasa cromosoma 9 bcr = ser/thr protein-quinasa cromosoma 22

cromosoma 9+

proteina con fusión abl-bcr posee actividad aumentada de tirosina protein-quinasa

cromosoma 22presente en más del 90% de los casos de Leucemia Mielógena Crónica

Imatinib (Novartis) para el tratamiento de la leucemia mielógena crónica

H N

N

inhibidor selectivo de tirosina protein-quinasas (tipo abl-bcr)

N HN

Ki abl = 38 nM

O N

Ki PDGFR = 50 nM (receptor del factor de crecimiento derivado de plaquetas) selectividad >1000 respecto a otras protein quinasas y factores de crecimiento

N N R. Capdeville et al., Nature Rev. Drug Discov. 1, 493-502 (2002)

7

Receptores acoplados con proteinas-G (GPCR) Para muchos receptores el efecto inmediato al ser activados es la formación de un segundo mensajero, una molécula pequeña con actividad bioquímica que pueda producir cambios intracelulares como fosforilación (cAMP) o movilización de calcio (fosfatidilinositol). Los más conocidos son los acoplados a proteinas que unen GTP (Proteinas-G). Activándolas o inhibiéndolas, las proteinas-G activan o inhiben adenil-ciclasas, fosfatidil bifosfato hidrolasas y ciertos canales de iones.

Todos estos receptores están formados por una única cadena de 400-500 aminoácidos con 7 tramos de 20 a 28 aminoácidos hidrofóbicos insertados en la membrana celular. Esas regiones presentan alta homología entre los distintos receptores

Función de receptores acoplados con proteinas-G

Los receptores asociados a Gs activan la adenilciclasa Los receptores asociados a Gi inhiben la adenilciclasa

8

Algunos receptores acoplados con proteinas-G (GPCR) Receptores α1, β1 y β2 adrenérgicos Receptores de serotonina (5-HT1a, 5-HT1c, 5-HT2) Receptor muscarínico de acetilcolina Receptores D1 y D2 de dopamina Receptores de neurokinina Receptores de luz (rodopsina) Ki 5-HT2A = Ki 5-HT2B = Ki 5-HT2C = Ki 5-HT3 = Ki dop D1 = Ki dop D2 = Ki dop D4 = Ki musc M1 = Ki musc M2 = Ki musc M3 = Ki musc M4 = Ki musc M5 = Ki adr α1 = Ki adr α2 = Ki hist H1 =

Muchos ligandos se unen a más de un GPCR

H N

S

N N Olanzapina (neuroléptico)

N

F. P. Bymaster et al., Neuropsychopharmacology, 14, 87-96 (1996)

Receptores muscarínicos de acetilcolina Familia de receptores metabotrópicos expresados en el sistema nervioso parasimpático

4 nM 12 nM 11 nM 57 nM 31 nM 11 nM 27 nM 1.9 nM 18 nM 25 nM 13 nM 6 nM 19 nM 230 nM 7 nM

J. Med. Chem. 43, 4333 (2000)

Participan en diversas funciones fisiológicas: Ritmo cardíaco, excitación, cognición, procesamiento de sensaciones, control motor Son blancos para el tratamiento de diversas psicosis (esquizofrenia), Alzheimer, Parkinson

ESTIMULATORIO Transducción estimula fosfolipasa C de señal: a través de la proteina Gq

INHIBITORIO bloquean adenil ciclasa a través de la proteina Gi CH3

agonistas O

H3 C

HO Muscarina

N

O

O

N(CH3 )3

N H 3C

N

Pilocarpina

CH 3

La apertura del canal de K por los agonistas del receptor muscarínico en la región marcapasos del atrio, relaja el corazón al producir hiperpolarización

O

OH O

Atropina (antagonista) produce síntomas similares a la esquizofrenia

9

Receptores intracelulares Estos comprenden la superfamilia de receptores de hormonas esteroidales: esteroides adrenales, esteroides sexuales y vitamina D3 receptores de hormonas tiroideas: derivados iodados de tirosina receptores de retinoides: hormonas derivadas de vitamina A A diferencia de los receptores anteriores, son proteinas solubles que se encuentran dentro de la célula, con alta afinidad hacia sus ligandos pero baja capacidad. La mayoría están ubicados dentro del núcleo aun en ausencia de ligando excepto el receptor de glucocorticoides que también se encuentra en el citosol Actúan como factores de transcripción

Los receptores de esteroides y hormonas tiroideas tienen una organización similar Unión al ADN y activación transcripcional (dominios varían en 94-40%) regiones N-terminales tienen < 15% identidad (necesarias para activar transcripción)

Regiones de unión de hormona y dimerización (varían en 57-15%) Glucocorticoide 94

57

Mineralocorticoide

90

55

Progesterona

76

57

Andrógeno

52

50

Estrógeno

47

30

Triiodotironina

42

17

Vitamina D

45