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I. RECEPTORES FARMACOLÓGICOS 1. Definición y funciones Cuando se define un fármaco como una sustancia ca- paz de modificar la actividad celular, se está afirmando que el fármaco no origina mecanismos o reacciones des- conocidos 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 molé- culas celulares con las cuales, y en razón de sus respecti- vas 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 subce- lulares innumerables moléculas con radicales capaces de asociarse al fármaco y formar un complejo. Con toda pro- babilidad, muchas de estas asociaciones no originan res- puesta celular alguna: porque la molécula celular acep- tora no es modificada por la molécula farmacológica en una forma que pueda repercutir sobre el resto de la cé- lula 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 fi- jación inespecífica. Pero el fármaco se une también a otro tipo de molé- culas 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 di- versas acciones de los fármacos se producen por estas modificaciones celulares. Las moléculas con que los fár- macos son capaces de interactuar selectivamente, gene- rándose como consecuencia de ello una modificación constante y específica en la función celular, se denomi- nan receptores farmacológicos. Entre las moléculas celulares con potencial capacidad de comportarse como receptores farmacológicos se en- cuentran, lógicamente, aquéllas dotadas en particular para mediar la comunicación intercelular, es decir, los re- ceptores que reciben la influencia de sustancias endóge- 2 Acciones de los fármacos I. Interacciones fármaco y recep A. Pazos nas, como los neurotransmisores y cotransmisores, los neuromoduladores, las hormonas y otros mediadores en- dógenos que, liberados por una célula, tienen capacidad de influir sobre la actividad de otra. Todas estas sustan- cias 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 lipídi- cos 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 res- puestas funcionales que los receptores pueden desenca- denar 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 mem- branosas 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 capa- cidad de modificar los procesos de transcripción y sínte- sis 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 pre- senta, por lo tanto, dos funciones fundamentales: unir al ligando específico y promover la respuesta efectora. Las consecuencias moleculares de las interacciones con los re- ceptores 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 conti- nuación. Sin embargo, existen fármacos cuyos efectos se producen en virtud de su interacción con elementos in- tracelulares y extracelulares difíciles de considerar re- 7 tor 8 Farmacología humana ceptores en sentido estricto, pero que se comportan como elementos diana de fármacos. Dentro de este grupo se in- cluyen: a) los fármacos que actúan inhibiendo la activi- dad de diversas enzimas (p. ej., la ATPasa Na+/K+-de- pendiente 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 transporta- dores ligados a los sistemas de recaptación de los neuro- transmisores. 2. Interacción entre el fármaco (ligando) y su receptor 2.1. 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 fár- maco, y la especificidad, gracias a la cual puede discrimi- nar 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 fi- jación mediante técnicas de marcaje radiactivo del li- gando. De este modo se consigue detectar su localización en tejidos, células y estructuras subcelulares, cuantificar su densidad, precisar la afinidad entre fármaco y recep- tor, intentar su aislamiento, purificación y cristalización y analizar su estructura. La afinidad se debe a la formación de enlaces entre fár- maco 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. Ex- cepcionalmente 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 apli- carse la fórmula: k1 A + R AR k2 donde A = moléculas de fármaco, R = número de recep- tores libres, AR = complejo fármaco-receptor o número de receptores ocupados, y k1 y k2 son las respectivas cons- tantes de la velocidad de formación y desintegración del complejo. En equilibrio, las velocidades de formación y disociación son iguales: [A] · [R] · k1 = [AR] · k2, por lo que: [A] · [R] k2 ———— = —— = KD [AR] k1 [1] KD es la constante de disociación en equilibrio y su in- versa es la constante de asociación en equilibrio (KA); cuando la mitad de los receptores están unidos al fármaco, es decir, cuando [R] = [AR], 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]; por lo tanto, [AR] [A] —–— = —————, [2] [Rt] [A] + KD o bien [Rt] [A] [AR] = ————— [3] [A] + KD Cuando [A] = KD, entonces [Rt] [AR] = –——, 2 es decir, la concentración de fármaco necesaria para fi- jarse a la mitad de los receptores es igual a la constante de disociación. Como su inversa es la afinidad, cuanto me- nor sea esta concentración, mayor será la afinidad de fi- jación. La afinidad de un fármaco por su receptor tiene que ser alta, con valores acordes con los rangos de con- centración 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 nú- mero de moléculas marcadas y dotadas de actividad es- pecífica que se fijan a un tejido. Ello permite analizar la afinidad del fármaco por sus receptores y precisar el nú- mero 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 de- nomina F, de acuerdo con la ecuación [3]: Bmáx [F] [B] = ————— [4] KD + [F] Esta ecuación origina una hipérbola rectangular cuando el eje de ordenadas es el fármaco fijado y el de 2. Acciones de los fármacos I. Interacciones fármaco y receptor 9 abscisas, el fármaco libre (fig. 2-1 A). Para hallar más fá- cilmente la constante de disociación y el número de re- ceptores se recurre a la representación de Scatchard, que es una línea recta obtenida por una sencilla transforma- ción de la ecuación [4]: [B] – [B] Bmáx —— = ——— + ——— [5] [F] KD KD B Si la ordenada es –— y la abscisa es B (fig. 2-1 B), la F 1 pendiente es el negativo de la afinidad 1– ——2 y la abs-KD 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 mé- todo permite observar las modificaciones que, fisiológica o patológicamente, pueden sobrevenir sobre ambos pa- rámetros. En ocasiones, la unión entre A y R no sigue la ley de acción de masas, dando lugar a una representación de Scatchard cur- vilínea (fig. 2-2). Las causas más frecuentes de este fenómeno son: a) la existencia de más de un sitio de fijación en la pobla- ción marcada, con valores de afinidad diferentes, y b) interac- ciones 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 aná- lisis se basa en la ecuación: B log ————– = nH log F – nH log KD [6] Bmáx – B 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 uni- dad. Valores de nH inferiores a la unidad indican la existencia de más de un sitio de unión o bien la de cooperatividad nega- tiva. 2.3. Curvas de competición El método de fijación de radioligandos permite tam- bién analizar el fenómeno de competencia que se esta- blece 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 cuantifi- cando 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, adoptando esta relación una curva en forma de S inver- tida 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 = ————— [7] [A] 1 + —— KD donde KD es la constante de disociación de A. Fig. 2-2. Representaciones de Scatchard curvilíneas. A) La curvatura se debe a la existencia de dos clases de sitios de fija- ción independientes entre sí. B) La interacción se produce con una clase de sitios que interactúan entre sí en la forma de co- operación negativa. 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 crecien- tes, estando A solo (fijación total) o con una concentración ele- vada de otro ligando no radiactivo (fijación inespecífica, no saturable). La fijación específica o saturable resulta de la dife- rencia 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. 200 150 100 50 1 2 4 6 8 10 25 50 75 100 [ B ] (f m ol /m g d e p ro te ín a) Total Específica Inespecífica [ B ] / [ F ] Pendiente – KA = – —— 1 KD Bmáx [A] (nM) [B] A B Una clase de sitio de fijación con cooperatividad negativa [B][B] [ B ] / [ F ] [ B ] / [ F ] Dos clases de sitios de fijación independiente A B 10 Farmacología humana 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 afi- nidades farmacológicas por un receptor determinado, lo que le confiere una identidad propia. Este tipo de análi- sis tiene especial interés para: a) confirmar que un nuevo producto, que en estudios funcionales parece actuar me- diante un receptor determinado, se fija de manera espe- cífica 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 específi- camente y con elevada afinidad con un receptor no es mo- tivo 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 re- ceptora en la forma necesaria a fin de que se desencadene un efecto. La capacidad del fármaco para modificar el re- ceptor 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 modi- fican su eficacia; por esta razón, dentro de una familia far- macológica, 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 ocu- pación deben competir. Sin embargo, existen diferencias 100 50 0 11 10 9 8 7 6 5 % F ija ci ón d e 3 H [ 5 -H T] K1(nM)————— A = 0,6 B = 1,5 C = 29,9 D = > 3.000 A B C D – 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.) 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 fija- ción de los agonistas al receptor, estudiada mediante ra- dioligandos, es modificada por la presencia o la ausencia de diversos iones (en particular, cationes monovalentes y divalentes) y de nucleótidos de guanina. Por el contra- rio, 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 modifi- caciones de temperatura que la de los antagonistas. Es- tas diferencias reflejan la singularidad de la unión del ago- nista a su receptor, en tanto que va a originar la respuesta bioquímica final. Asimismo, el estudio experimental de la interacción li- gando-receptor revela a menudo la existencia de dos si- tios de fijación para un mismo receptor, uno de alta afi- nidad 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 si-tios de alta afinidad, que son los que están directamente impli- cados en la respuesta funcional, en tanto que los antagonistas tienden a ocupar ambas poblaciones de sitios (alta y baja afini- dad). 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 res- puesta se relaciona con la asociación a una proteína G. Las ca- racterísticas detalladas de estos mecanismos de transducción se estudian en el capítulo 3. Hasta cierto punto se puede genera- lizar 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 pers- pectivas 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 efec- tos fisiológicos y farmacológicos en función de los diver- sos sistemas (órganos y tejidos) en los que actúe. Si se de- muestra 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 con- géneres, 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 ha- llazgo de antagonistas selectivos para unos y otros efec- tos confirma la existencia de dichos subtipos (p. ej., re- ceptores 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. Acciones de los fármacos I. Interacciones fármaco y receptor 11 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 poten- cia en relación con otras (B), se puede afirmar que las res- puestas 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 in- dica 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 afini- dades (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. Regulación de receptores Los receptores, como moléculas específicas de las cé- lulas, 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 re- gulación (fig. 2-4). Es posible estudiar la influencia de los factores que regulan la presencia y la actividad de los re- ceptores en un sistema determinado. En lo que se refie- re a la densidad, esta regulación puede ser por incremen- to (up-regulation) o por disminución (down-regulation). Sin embargo, la modificación del número de recepto- res no es el único mecanismo de regulación ya que, aun- que 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 bio- lógica. A continuación se describen los diversos tipos de de- sensibilización e hipersensibilidad de receptores. Los me- canismos moleculares desencadenantes de estas respues- tas se estudian en el capítulo 3. 6.1. 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 de- termina que la célula quede protegida frente a la esti- mulación excesiva o prolongada. En Farmacología, la desensibilización proviene de la acción del fármaco ago- nista. Cuando se desarrolla de manera rápida, se la de- nomina también tolerancia aguda o taquifilaxia, y si lo hace de forma lenta en el curso de días, tolerancia cró- nica. Se habla de desensibilización homóloga cuando la pre- sencia del ligando afecta únicamente la capacidad de res- puesta del receptor ocupado por dicho ligando. Esta de- sensibilización 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 pér- dida de respuesta no sólo a la acción del ligando, sino tam- bién 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 comu- nes 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- Agonista Receptores Vesícula cubierta Vesícula intracelular (endosoma) Receptor degradado Aparato de Golgi Síntesis de receptores Retículo citoplásmico Núcleo Fig. 2-4. Diagrama esquemático del ciclo biológico de los re- ceptores de membrana (v. texto). (De Pratt W, Taylor P. The Basis of Pharmacology. Nueva York: Churchill Livingstone, 1990, con autorización.) 12 Farmacología humana ción de dicho ligando sobre la célula. Es un fenómeno fi- siológico que se produce con frecuencia cuando se des- nerva una vía nerviosa o cuando se bloquea un receptor con fármacos de carácter antagonista, o cuando se deple- ciona el neurotransmisor de una vía nerviosa. En lo que se refiere al receptor propiamente dicho, se puede ob- servar el aumento de su número como consecuencia de un incremento en el proceso de síntesis o de una dismi- nución de la degradación y el incremento de la afinidad. 7. Alteraciones de los receptores en patología Con frecuencia se detectan modificaciones en la den- sidad o en las propiedades de los receptores en diversos procesos patológicos. En muchas ocasiones, la alteración del receptor es de carácter secundario, bien como res- puesta reguladora a cambios en la concentración de su li- gando natural, bien como una consecuencia de alteracio- nes 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 pérdi- da de receptores colinérgicos y noradrenérgicos cerebra- les en ciertas enfermedades neurodegenerativas, como la enfermedad de Alzheimer, ilustra la segunda posibilidad. Pero existen otras entidades patológicas que están cau- sadas primariamente por alteraciones en los receptores o en sus sistemas efectores. Entre ellas se incluyen la mias- tenia grave, causada por un déficit inmunitario de recep- tores colinérgicos nicotínicos, o alguna forma de diabe- tes 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 di- versos receptores. Por último, debe tenerse en cuenta que, además de afectar las moléculas receptoras propia- mente 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. II. INTERACCIONES ENTRE FÁRMACOS AGONISTAS Y ANTAGONISTAS 1. 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 re- ceptores ocupados. Aunque este modelo es el más acep- tado comúnmente, existen otros, como el basado en la teoría operacional, cuyo desarrollo no se expone en este caso. 1.1. 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: EA AR ——— = f 1e · ——2 [8]Emáx Rt donde Emáx = efecto máximo y e = eficacia. De las ecuaciones [2] y [8] se deduce que: EA [A] ——— = f 5e —————6 [9a]Emáx KD + [A] o bien: 1 EA = Emáx · f 5 e · ————6 [9b]KD1 + —— [A] [A] Al parámetro e ————— se lo conoce también con KD + [A] el nombre de estímulo (S), de forma que EA ——— = f(S) [10] Emáx La naturaleza de la función f guarda relación con los fenómenos de transducción y amplificación de la res- puesta 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 in- trínseca». En las ecuaciones [8] y [9a] quedan implícitos los si- guientes 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 de- nomina eficacia intrínseca. 2. Acciones de los fármacos I. Interacciones fármaco y receptor 13 Combinando las ecuaciones [9a] y [11], EA e · Rt [A] ——— = f 5 —————6 [12]Emáx KD + [A] que es la ecuación fundamental de las relaciones ocupa- ción-respuesta farmacológicas. De esta ecuación se de- duce que la respuesta farmacológica depende de dos va- riables ligadas al propio fármaco A, e y KD, y de otras dos dependientes del tejido o sistema estudiado, f y Rt. 1.2. Curva dosis-efecto La representación gráfica en la que se relacionan la concentración de A y la respuesta farmacológica resul- tante 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 concen- tración se expresa en forma aritmética, la curva es hiper- bólica, comienza en el origen y se aproxima asintótica- mente 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 di- cho punto la pendiente máxima de la curva: en esa por- ción central, la curva se aproxima a una línea recta. Una representación doble recíproca origina una trans- formación en forma de recta. La posición lateral de la curva a lo largo del eje de abs- cisas indica la potencia y se relaciona con la afinidad del fármaco por su receptor. A mayor potencia, menor can- tidad de fármaco será necesaria para conseguir un efec- to 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 con- siderarse como un indicador de la eficacia. 1.3. Receptores de reserva Dado que la función f que relaciona la proporción de recep- tores ocupados y la respuesta es, con frecuencia, no lineal, ello indica que un fármaco agonista puede alcanzar el efecto má- ximo sin necesidad de ocupar todos los receptores del sistema. 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 re- ceptores se demuestra mediante estudios de bloqueo parcial irreversible, que ponen de manifiesto cómo un fármaco conti- núa alcanzando el mismo efecto máximo a pesar de estar inac- tivada una parte de los receptores del sistema (fig. 2-6). La cuan- tía de la población de receptores de reserva puede variar dependiendo no sólo del tejido en el que se estudie, sino tam- bién en función del agonista utilizado. Así pues, debe enten- derse que dicha población es virtual y corresponde a recepto- res no requeridos para lograr el efecto máximo de un fármaco 1 0,5 10–2 10–1 100 101 102 [B] = 0 0,001 0,01 0,1 E/Emáx [A] Fig. 2-6. Curvas dosis-efecto para un agonista completo A solo y con concentraciones crecientes de un bloqueante irreversi- ble del receptor B. Obsérvese que el efecto máximo se man- tiene hasta que se bloquea de forma irreversible una gran pro- porción de receptores, ilustrando así el concepto de receptores de reserva. 0 2 4 6 8 10 10–2 10–1 100 101 102 1,0 0,75 0,5 0,25 0 1,0 0,75 0,5 0,25 0 E/Emáx E/Emáx Emáx/2 KD KD [A], escala aritmética [A], escala logarítmica A B 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 equili- brio (v. texto). 14 Farmacología humana determinado en un sistema determinado. No constituye, por lo tanto, una fracción de receptores que deban considerarse fun- cionalmente independientes o diferentes. A medida que la función f se aparta de la linealidad y se uti- lizan fármacos agonistas capaces de producir respuestas con ba- jos 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 in- trínseca 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, aque- llos altamente eficaces, capaces de producir efectos con una baja proporción de receptores ocupados, y agonistas parciales, aque- llos 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 antagonistasCuando dos fármacos, A y B, poseen afinidad por un mismo receptor y actúan de forma simultánea, se inter- fieren mutuamente para ocupar el receptor. En un sis- tema determinado, si la eficacia intrínseca eB de B es me- nor que la eA de A, la ocupación de receptores por parte de B restará intensidad al efecto que conseguiría A si ac- tuase solo. El fármaco B se convierte entonces en un an- tagonista 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 eA · Rt · KB [A] + eB · Rt · KA [B] —— = f 1——————————————2[13] Emáx KAKB + KB [A] + KA [B] 2.1. 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 ob- tiene 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 com- petitivo 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 KAKB + KB [A] + KA [B] o también EAB 1—— = f 1eA · Rt ——————————2 [14b]Emáx KA [B]1 + —— 11 + ——2[A] KB Si se denomina A1 a la concentración de agonista capaz de producir una respuesta determinada en ausencia del antago- nista B, y A2 a la concentración de agonista necesaria para pro- ducir, en presencia de B, la misma respuesta que A1, compa- rando [14b] y [9b] se obtiene finalmente: A2 [B] —— = —— + 1 [15] A1 KB Esta ecuación cuantifica la relación entre la presencia de an- tagonista y el incremento de la concentración de agonista ne- cesario 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 de- nomina dr, se obtiene: A1 [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 antago- nismo. Cuando dr = 2, –log KB (pKB) = –log [B]; esto corres- ponde 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 admi- nistren 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 ac- ciones 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 con- centraciones 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 con- centraciones de agonista puro por encima del punto de cruce, la respuesta total será inferior a la que correspon- dería si no estuviera presente el agonista parcial: es en- tonces cuando el agonista parcial muestra plenamente su capacidad antagonista, que será tanto mayor cuanto más elevada sea su concentración; el antagonismo, en cual- 2. Acciones de los fármacos I. Interacciones fármaco y receptor 15 quier caso, es vencible. 2.3. Antagonismo no competitivo Cuando el antagonista B actúa sobre un sitio de fija- ción íntimamente relacionado con el receptor, pero dife- rente 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 incre- mento de su concentración permita alcanzar una ocupa- ción máxima de receptores. Las curvas dosis-respuesta obtenidas por A en presencia de B pueden variar consi- derablemente en función del tejido utilizado, debido a la distinta eficiencia del acoplamiento entre estímulo y res- 100 101 10–1 102 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 [A [B] = 0 1 4 16 64 eA = 1 eB = 0 EAB A [B] = 0 1 3 5 20 100 500 R es p ue st a (% ) – 4 – 3 – 2 – 1 0 1 2 Estímulo R es p ue st a log ( [A]/KA) Fig. 2-8. Efecto de diversas concentraciones de un antago- nista no competitivo B sobre la respuesta farmacológica pro- vocada por un agonista A. (De Kenakin TP, 1987, con autoriza- ción.) Fig. 2-7. Curvas teóricas dosis-efecto obtenidas mediante asocia concentraciones fijas de un antagonista B puro (A) o de un agonis ferente puesta. Sin embargo, a medida que se incrementa la con- centración del antagonista, el desplazamiento hacia la de- recha se acompaña de una progresiva reducción del efecto máximo (fig. 2-8). 2.4. Antagonismo irreversible El antagonismo irreversible se produce cuando la fija- ción del antagonista al receptor es muy intensa, por ejem- plo, 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 irreversi- bles 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. Antagonismo funcional Cuando dos fármacos, A y B, actúan sobre diferentes receptores, generando respuestas sobre un mismo sis- tema 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, pro- duciéndose una depresión del efecto máximo alcanzado (fig. 2-9). 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 ago- nista, neutralizándolo e impidiendo, por lo tanto, que 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0 ] 100 101 10–1 102 [A] [B] = 0 1 4 16 64 eA = 1 eB = 0,25 EAB B ción de concentraciones crecientes del agonista completo A con ta parcial B (B). Cada curva corresponde a una concentración di- de B. 16 Farmacología humana pueda ejercer sus efectos. Ello origina la denominada in- compatibilidad 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 res- puesta fisiológica: este proceso puede considerarse una isome- rización del receptor desde el estado R hasta el R*, enten- diéndose 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 K1 K2 [A] + [R] [AR] [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 pro- ceso de isomerización de R. En el caso de receptores que re- quieren acoplamiento a transductores proteicos para generar efecto (como es el caso de las proteínas G), la ecuación puede expresarse así: Kobs K1 K2 [A] + [R] [AR] + [T] [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: [B] = 0 [A] EAB 1 0,75 0,5 0,25 0 10–1 100 101 0,25 0,67 1,5 4 8 Fig. 2-9. Antagonismo funcional. Curvas obtenidas mediante combinación de concentraciones crecientes del agonista A (abs- cisas) con concentraciones fijas de B. Cada curva corresponde a una concentración diferente de B. 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 acopla- miento de R (inactivo) con T y otro factor, a, definidor del equili- brio 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 ge- neración del efecto fisiológico del sistema, se corresponde con el definido clásicamente como agonista (ya sea completo o par- cial, 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 fárma- cos con afinidad preferente por el estado inactivo (con tenden- cia a desestabilizar el complejo ternario): estos fármacos, que muestran eficacia negativa, se conocen como antagonistas ne- gativos 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 nega- tivo 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 re- ceptores asociados a proteínas G que la mutación de ciertos ami- noácidos de su secuencia da lugar a la generación de respuesta efectora en ausencia de antagonista. Todos estos resultados su- gieren la existencia de cierto nivel de actividad receptorial cons- titutiva, 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 activa- doras 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: ago- nismo 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. 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Alfabético Acciones de los fármacos I. Interacciones fármaco y receptor I. RECEPTORES FARMACOLÓGICOS 1. Definición y funciones 2. Interacción entre el fármaco (ligando) y su receptor 2.1. Mecanismo de la interacción 2.2. Representación gráfica 2.3. Curvas de competición 3. Concepto de fármaco agonista y antagonista 4. Sitios de fijación y estados de actividad del r 5. Subtipos de receptores 6. Regulación de receptores 6.1. Desensibilización de receptores 6.2. Hipersensibilidad de receptores 7. Alteraciones de los receptores en patología II. INTERACCIONES ENTRE FÁRMACOS AGONISTAS Y ANTAGONISTAS 1. Acciones de los fármacos agonistas 1.1. Relación entre ocupación de receptores y respuesta farmacológica 1.2. Curva dosis- efecto 1.3. Receptores de reserva 2. Acciones de los fármacos antagonistas 2.1. Antagonistas puros 2.2. Agonistas parciales 2.3. Antagonismo no competitivo 2.4. Antagonismo irreversible 2.5. Antagonismo funcional 2.6. Antagonismo químico 3. Relaciones entre estados de actividad y eficacia