FARMAKODINÁMIA „mit tesz a gyógyszer a szervezettel”
Gyógyszerhatások alapvető mechanizmusai 1. Kötődés FEHÉRJÉKHEZ - receptorok - enzimek - ioncsatornák - transzportfehérjék (carrierek) - szerkezeti fehérjék
Gyógyszerhatások alapvető mechanizmusai 2. Kötődés DNS-HEZ pl. alkiláló citosztatikumok
3. Egyéb - ozmotikus hatás pl. ozmotikus diuretikum, ozmotikus hashajtó
- só- vagy komplexképződés pl. antacidum + gyomorsósav, cholestyramin + epesavak
Receptorok specifikusan kötnek endogén vagy exogén kémiai anyagokat (ligandok) egyetlen ismert funkciójuk a ligand felismerése és jelenlétének közvetítése a sejt felé Ligand típusai AGONISTA: kötődik a receptorhoz → biológiai hatás ANTAGONISTA: kötődik a receptorhoz, ugyanazon a kötőhelyen → hatást NEM vált ki DE: meggátolja az endogén agonista kötődését ALLOSZTERIKUS MODULÁTOR: a receptoron másik helyre kötődik → modulálja az endogén agonista hatását (pozitív/negatív alloszterikus modulátor) INVERZ AGONISTA : biológiai hatás
kötődik a receptorhoz → ellentétes
Enzimek ENZIMGÁTLÓ: az enzim által katalizált reakció sebessége csökken ibuprofen - ciklooxigenáz (COX) physostigmin - acetilkolin-észteráz - irreverzibilis gátlás pl. aszpirin – COX HAMIS SZUBSZTRÁT: a gyógyszermolekula szintén szubsztrátja az enzimnek → kompetíció alakul ki az endogén szubsztráttal + hamis termék képződik αmetildopa - DOPA-dekarboxiláz → α-metil-noradrenalin SERKENTŐ: növeli az enzim által katalizált reakció sebességét nitroglycerin → NO - guanilát cikláz
Ioncsatornák • •
LIGANDfüggő = ioncsatornához-kapcsolt receptor pl. acetilkolin nikotinreceptora FESZÜLTSÉGfüggő
Blokkolók: fizikailag „eldugaszolják” az ioncsatornát így akadályozzák meg az ionok átjutását pl. lidocain → feszültségfüggő Na+-csatornák Modulátorok: növelik vagy csökentik a csatornanyitás valószínűségét (pozitív/negatív modulátor) pl. amlodipin → feszültségfüggő Ca2+-csatornák negatív modulátora
Transzportfehérjék (carrier-ek) GÁTLÓK: meggátolja az endogén anyag transzportját pl. kokain, triciklikus antidepresszánsok – uptake-1 (noradrenalin visszavételt végző transzporter, NET)
HAMIS SZUBSZTRÁT: a gyógyszer maga is transzportálódik és kompetíció révén csökkenti az endogén anyag transzportját pl. amfetamin – uptake-1
Szerkezeti fehérjék Mechanizmusok: Tubulin polimerizáció gátlása révén megakadályozzák az osztódási orsó kialakulását pl. Vinca alkaloidok: vincristin A polimerizált mikrotubulusok átrendeződését gátolva akadályozzák meg az osztódást pl. taxánok: paclitaxel
Gyógyszer-receptor interakció Receptor okkupancia modell: - a gyógyszer-receptor kötődés során dinamikus egyensúly alakul ki - a gyógyszerhatás az elfoglalt receptorok hányadával (= okkupancia) arányos
receptorokkupancia
A+R
receptoraktiváció
AR
koncentráció – okkupancia összefüggés
jelátvitel
AR*
Hatás
okkupancia – hatás összefüggés
koncentráció -hatás összefüggés
Koncentráció – okkupancia összefüggés
A+R
k1
k2 „szabad” ligand +”szabad” receptor
egyensúlyban v1 = v2
AR
ligand-receptor komplex
k1 × c × (Nt – NA) = k2 × NA c - ligand koncentráció Nt – összes receptorszám NA - ligand-receptor komplexek száma („foglalt” receptor)
HILL-LANGMUIR EGYENLET:
NA c okkupancia (p) = Nt c Kd k2 k1
Kd
- egyensúlyi disszociációs konstans
NA c p= Nt c Kd A receptor okkupancia 2 tényezőtől függ: 1. a ligand koncentrációja 2. Kd → a ligand adott receptorhoz való kötődési hajlamát jellemzi = affinitás DE: az affinitás és a Kd fordítottan arányosak egymással! (annál erősebben kötődik, minél kisebb a K d)
Ligand koncentráció-okkupancia görbe
okkupancia
1.0
NA c p= Nt c Kd ha c = Kd 0.5
akkor p = 0.5 ↓ Kd azzal a ligand koncentrációval egyenlő, amelynél a receptorok fele foglalt
1
Kd
2
3
4
5
6
ligand cc.
Ligand koncentráció-okkupancia görbe SZEMILOGARITMIKUS SKÁLA
okkupancia
1
szigmoid görbe
0.5
0.01
0.1
1
Kd
10
100
1000
ligand cc.
Dózis-hatás (koncentráció-hatás) görbe 1. elhelyezkedés az x tengelyen 100
→ HATÁSERŐSSÉG
teljes agonista
2. hatás maximuma
% hatás
3. meredekség
↓
50
parciális agonista
0.01
0.1
1
ED50
1
HATÉKONYSÁG
100
ED50
1000
dózis/konc.
1. Hatáserősség (potency) A görbe elhelyezkedése a dózis (koncentráció) tengely mentén mutatja meg, mekkora dózis (koncentráció) szükséges adott mértékű hatás kiváltásához. A hatáserősséget azzal a dózissal vagy koncentrációval jellemezhetjük, ami a maximális hatás 50%át váltja ki: effective dose/concentration 50 (ED50 /EC50).
a hatáserőség és az EC50/ED50 fordítottan arányosak egymással! pED50 (pEC50): ED50 (EC50) negatív logaritmusa, ami viszont arányos a hatáserősséggel pl. EC50=10-7 M pEC50=7
2. Hatékonyság (efficacy) A görbe maximuma, vagyis az adott szerrel elérhető maximális hatás (Emax) Intrinszik aktivitás (IA): Az a tizedestört, amely megmutatja, hogy a teljes receptorokkupancia mellett adott szerek a teljes (maximális) hatás mekkora hányadát hozzák létre.
antagonista
parciális agonista
teljes agonista
IA=0
0 < IA < 1
IA=1
3. Görbe meredeksége Minél meredekebb a dózis (koncentráció)-hatás görbe középső szakasza, annál nagyobb lesz adott mértékű dózisemelés esetén a hatásfokozódás.
Ha nagyon meredek a görbe, ez azt eredményezheti, hogy a terapiás index kisebb lesz TERÁPIÁS INDEX: letális (vagy toxikus) dózis 50 és a hatékony dózis 50 aránya
LD 50 ED 50
TD 50 ED 50
A receptoriális hatást befolyásoló tényezők
c E f N t Emax c Kd A ligand részéről: c = ligand koncentrációja K d = ligand affinitása ε = a ligand hatékonyságát kifejező paraméter (intrinsic hatékonyság) ≠ intrinsic aktivitás! Az adott szövet/szerv részéről: f = a jelátviteli folyamatokat leíró függvény Nt =össz receptorszám
Okkupancia-hatás öszefüggés D 100
C
A
A - teljes agonista
% hatás
B - parciális agonista 50
B
50
100
C, D - teljes agonista receptor rezervvel
okkupancia %
Okkupancia – hatás összefüggés TARTALÉK RECEPTOROK avagy RECEPTOR-REZERV Legritkább esetben 1:1 az összefüggés okkupancia és a hatás %- között.
a
receptor
Jellemzőbb eset, hogy már részleges receptorokkupancia kiváltja a maximális hatást.
→ EC50 < Kd TARTALÉK RECEPTOROK/RECEPTOR REZERV = azon receptorok aránya, amelyek az agonista által kiváltott maximális hatás mellett is szabadon maradnak Parciális agonista: 100%-os okkupancia mellett sem vált ki maximális hatást.
Tachyphylaxia, tolerancia Ismételt gyógyszeradagolás esetén hatáscsökkenés következik be, azaz: - ugyanaz a dózis kisebb választ vált ki VAGY - magasabb dózis szükséges a hatás kiváltásához nem feltétlenül egyformán minden hatáshoz! pl. morfin: pupillaszűkítő hatásra alig TACHYPHYLAXIA (DESZENZIBILIZÁCIÓ): percek-órák alatt kialakul TOLERANCIA: lassan, fokozatosan alakul ki, napok-hetek alatt
Tachyphylaxia, tolerancia: mechanizmusok a) Receptor-deszenzibilizáció pl. adrenerg β receptor agonisták b) Receptorszám-változás: endocytosis, transzkripció változás (down-reguláció vagy up-reguláció) pl. adrenerg β receptor agonisták c) Mediátor depléció pl. indirekt szimpatomimetikumok d) Gyógyszerelimináció fokozódása (enzimindukció) pl. phenobarbital e) Gyógyszerellenes antitest képződése pl. inzulin f) Aktív efflux („kipumpálás”) a célsejtekből pl. citosztatikumok g) Fiziológiai adaptáció: kompenzatorikus válasz pl. vazodilatátor vérnyomáscsökkentők
Kombinatív gyógyszerhatások Addíció: a hatás a két gyógyszer hatásának összege pl.:
adrenerg β2-agonista + muszkarin receptor antagonista → bronchodilatáció
Potencírozás: az együttes hatás nagyobb, mint a kettő összege
sokkal
pl.: etanol + KIR depresszánsok, NO donor + sildenafil
Antagonizmus: a létrejövő hatás kisebb, mint az egyes hatások összege
Gyógyszerantagonizmusok RECEPTORIÁLIS • kompetitív – nem-kompetitív (alloszterikus) • reverzibilis – irreverzibilis
NEM-RECEPTORIÁLIS • szignál transzdukció gátlása • funkcionális (fiziológiás): ellentétes hatás ugyanazon a szöveten vagy szerven • farmakokinetikai pl. abszorpció gátlása, elimináció fokozása • kémiai: megkötés, neutralizáció
Reverzibilis kompetitív antagonizmus 100
az agonista és az antagonista ugyanazon a kötőhelyen → KOMPETICIÓ
% hatás
antagonista conc. (µM)
0
áttörhető
3 10 30
50
a görbe párhuzamosan jobbra tolódik
0.01
0.1
1
10
100
1000
agonista conc.
Reverzibilis kompetitív antagonizmus kvantitatív jellemzése Agonista okkupanciája jelenlétében:
p Ag
antagonista
c Ag K d Ag
c Ag K d Ag
-
kompetitív
c Ant 1 K d Ant
függ az agonista és antagonista affinitásától és koncentrációiktól
Reverzibilis kompetitív antagonizmus kvantitatív jellemzése Dózis (koncentráció) arány: az a hányados, amennyivel az agonista dózisát (koncentrációját) meg kell növelni ahhoz, hogy ugyanazt a hatást váltsa ki az antagonista jelenlétében, mint anélkül
SCHILD EGYENLET:
dózisarány (r) =
c Ag ' c Ag
c Ant 1 K d Ant
nem kell ismerni az agonista affinitását!
Kd Ant az antagonista egyensúlyi disszociációs konstansa = az az antagonista koncentráció, amelynél az agonista koncentrációját kétszeresre kell növelni (r=2), hogy elérje ugyanazt a hatást, mint antagonista nélkül pA2: Kd Ant negatív logaritmusa
Irreverzibilis kompetitív antagonizmus 100
nem áttörhető!
% hatás
antagonista conc. (µM)
0
3
1
10
10
30
50
0.01
0.1
100
1000
agonista conc.
Irreverzibilis kompetitív antagonizmus receptor rezerv esetén 100
% hatás
antagonista conc. (µM)
0
3
10
30
100
50
0.01
0.1
1
10
100
1000
agonista conc.
Irreverzibilis kompetitív antagonizmus Az agonista jelenlétében:
p Ag
receptor
c Ag c Ag K d Ag
okkupanciája
az
antagonista
(1 p Ant ) az antagonista által elfoglalt receptorok hányada → az agonista nem tud 100%-os okkupanciát elérni
IC50: antagonista koncentráció, ami a maximális agonista hatást 50%-kal csökkenti.
% hatás
100
50
0.1
1
10
IC50
100
1000
antagonista cc. (µM)
Alloszterikus antagonizmus Az antagonista a receptoron teljesen más kötőhelyre kapcsolódik (alloszterikus kötőhely), mint az endogén agonista → gátolja az agonista kötődését és/vagy a jelátviteli útvonalat pl. ketamin - NMDA receptor
Példák nem-receptoriális antagonizmusra JELÁTVITELI ÚT GÁTLÁSA: a receptoraktivációt követő intracelluláris jelátviteli folyamatokat gátolja pl. lítium
FUNKCIONÁLIS: az agonista és antagonista receptoron, ellentétes hatás fejt ki az adott sejten
eltérő
pl. simaizmon: ACh – M3-receptor vs. adrenalin – β2-receptor
FARMAKOKINETIKAI: farmakokinetikai interakció révén csökkenti az adott szer szöveti koncentrációját pl. atropin →
gyomorürülés lassul, felszívódás csökken
KÉMIAI: az antagonista megköti az agonista molekulákat pl. komlexképződés révén pl.: heparin – protamin
Jelátvitel
Receptorok osztályozása jelátviteli mechanizmusok alapján 1. Ioncsatornához kapcsolt pl.: ACh – nikotin receptorok
2. G-proteinhez kapcsolt
pl: ACh – muszkarin receptorok
3. Enzimhez kapcsolt pl.: inzulin
4. Intracelluláris pl.: szteroid hormonok
Receptorok osztályozása jelátviteli mechanizmusok alapján
1. Ioncsatornához kapcsolt (ionotróp) receptorok (=ligandfüggő ioncsatorna) - szerkezet: 4-5 alegység hozza létre a csatornát - ionszelektivitás szerint: Na+ csatorna, kation csatorna, Cl- csatorna stb. ligandkötő alegység extracelluláris részéhez kapcsolódik az agonista → csatornanyitás → az ionok a grádiensüknek megfelelően áramlanak át nagyon gyors jelátvitel: milliszekundumok pl.: ACh nikotin receptor GABAA receptor szerotonin 5-HT3-rec.
2. G-proteinhez kapcsolt receptorok szerkezet: 1 polipeptid lánc, 7 transzmembrán α-hélix EXTRACELLULÁRISAN: ligandkötő alegység INTRACELLULÁRISAN: G-protein kötő (effektor alegység)
alegység
aktivált G-protein → membránban található effektor molekulákat aktiválnak + intracellulárisan szekunder messenger-ek keletkezhetnek → újabb effektorok aktivációja a jelátvitel sebessége: szekundumok
2. G-proteinhez kapcsolt receptorok
2. G-proteinhez kapcsolt receptorok Gs/Gi protein: ADENIL-CIKLÁZ → cAMP
cAMP függő kináz (protein kináz A) aktivációja → számos celluláris funkció szabályozása fehérjék FOSZFORILÁCIÓJA révén Gs -protein → STIMULÁCIÓ
Gi-protein → INHIBÍCIÓ
dopamin D1-receptor
adrenerg α 2-receptor
histamin H2-receptor
dopamin D2-receptor
→ cAMP ↑ pl. adrenerg β-receptorok
→ cAMP ↓ pl. ACh M2-receptor
2. G-proteinhez kapcsolt receptorok Gs/Gi protein: ADENIL-CIKLÁZ → cAMP
Példák PKA által közvetített hatásokra: - simaizom relaxáció: miozin könnyűlánc kináz gátlása - szívizom kontraktilitás nő: feszültségfüggő Ca2+ csatornák serkentése - anyagcsere: glikogenolízis, lipolízis fokozása - neuronális excitabilitás fokozása: feszültségfüggő csatornák serkentése - stb.
2. G-proteinhez kapcsolt receptorok Gq protein : FOSZFOLIPÁZ C → PIP2 hidrolízise → DAG és IP3
DAG → protein kináz C aktiváció IP3 → Ca2+ mobilizáció az endoplazmatikus retikulumból → Ca2+/kalmodulin (CaM) függő kinázok CaM-függő foszfodiészterázok NO szintáz pl. ACh M1- és M3-receptor adrenerg α1-receptor histamin H1-receptor
2. G-proteinhez kapcsolt receptorok Gq protein : FOSZFOLIPÁZ C → PIP2 hidrolízise → DAG és IP3
Példák Gq aktiváció által közvetített hatásokra: - simaizom kontrakció: miozin könnyűlánc kináz aktivációja (DE: ha NO szintáz aktiválódik pl. az endothelben, a végeredmény lehet relaxáció az érfal simaizomzatában)
- szekréció (hormon, neurotranszmitter) - neuronális excitabilitás fokozása - stb.
2. G-proteinhez kapcsolt receptorok FOSZFOLIPÁZ A2
membrán foszfolipidekből arachidonsavat (AA), hasít ki → eikozanoidok: prosztaglandinok, leukotriének, tromboxánok - az extracelluláris térbe kerülve, „first messengerként”, azaz lokális hormonként (=autakoid) hathatnak - de a citoplazmán belül szekunder messenger szerepük is lehet
2. G-proteinhez kapcsolt receptorok IONCSATORNÁK
egyes G-proteinek közvetlenül is, szekunder messenger képződése nélkül is képesek K+-, Ca2+vagy Na+- csatornák működését befolyásolni. pl.: M2 muszkarin receptorok → K+ csatornák ↑ α2 adrenerg receptorok → feszültségfüggő Ca2+ csatornák ↓
3. Enzimhez-kapcsolt receptorok • szerkezet: EC ligandkötő alegység IC katalitikus alegység • jelátvitel sebessége: percek Enzimfunkció alapján: 1.Tirozin-kinázhoz kapcsolt 2.Guanil-ciklázhoz kapcsolt 3.Tirozin-foszfatázhoz kapcs. 4.Szerin/treonin-kinázhoz kapcsolt pl: inzulin növekedési faktorok citokinek
4. Intracelluláris receptorok
(ligand-aktivált transzkripciós faktorok) •szerkezet: ligandkötő alegység (C-terminális) DNS-kötő alegység transzkripció aktiváló alegység (N-terminális) •jelátvitel sebessége: órák (napok) ! •agonista kötődés → dimerizáció → sejtmagba belép (ha citoplazmatikus a rec.) → kötődés a DNS bizonyos szakaszaihoz: hormone responsive element (HRE) → génexpresszió modulációja (aktiváció vagy represszió) pl. szteroid hormonok, pajzsmirigy hormonok D vitamin, retinoidok, fibrátok, tiazolidindion-antidiabetikumok
Jelátviteli folyamatok általános jellegzetességei - jelerősítés: mivel katalitikus folyamatok aktiválódnak DE: minden esetben van olyan mechanizmus, ami fékezi a jel túlzott erősítését pl. PDE → cAMP, foszfoprotein foszfatázok - a jelátvitel számos lépésében fehérjék foszforilációja történik → következménye lehet aktiváció és gátlás is - interakciók a jelátviteli utak között - konvergencia-divergencia a jelátviteli utakon - a végső biológiai választ a célsejt tulajdonságai szabják meg
Simaizom kontrakciót és relaxációt szabályozó mechanizmusok
