Princípios da FarmacologiaProfa. Elisabeth F Schwartz

Para entender as ações de uma droga, é necessário considerar os efeitos produzidos no sistema biológico em vários níveis de complexidade de organização. Os níveis principais são: moléculas biológicas, estruturas subcelulares, células, células organizadas (tecidos e órgãos), organismos intactos e interação entre organismos.

Nível molecular: Farmacologia molecular é o estudo da interação de moléculas de droga e moléculas do sistema biológico. Os alvos moleculares de ação de drogas são os receptores, as enzimas, os sistemas de transporte e componentes moleculares do aparato genético.

Estruturas subcelulares: Atuando em mitocôndrias, microtúbulos e lisossomos, por exemplo. Em vesículas neurais de acetilcolina, de adrenalina, vesículas dos grânulos dos mastócitos, etc.

Células: Ação de drogas em músculo, em nervo, etc.Tecidos ou órgãos: Apesar das drogas atuarem em um determinado tipo de

célula, o nível de complexidade do sistema pode ser de tal forma que um mecanismo de controle (autorregulação, ou feedback) pode ser desencadeado. Assim, a compreensão do mecanismos a nível de tecido ou órgão deve ser considerado.

Organismo intacto: Drogas atuando em mecanismos homeostáticos (sistema de controle integrado). Por exemplo, quando uma droga que relaxa musculatura lisa atua na parede do vasos sangüíneos, causa dilatação, e, consequentemente, vai desencadear uma aceleração reflexa da freqüência cardíaca.

Interação entre organismos: Podem ser divididas em dois tipos: 1) aquelas que afetam a relação entre diferentes tipos de organismos, 2) aquelas que afetam relações sociais. Exemplo do 1º tipo, drogas que são utilizadas para controle de pragas. Do 2º tipo, as drogas “sociais”, como o álcool, por exemplo e as drogas que afetam as atitudes do organismos, como sedativos, antidepressivos, etc.

O efeito de uma droga depende do grau pré-existente de atividade no sistema no qual ela atua.

Drogas podem atuar em mecanismos físico-químicos não-específicos, como por exemplo: 1) atuando em virtude de propriedades osmóticas; 2)atuando em virtude de sua atividade ácida ou básica; 3) agentes redutores ou oxidantes; 4) precipitantes de proteínas; 5) substâncias que funcionam como barreira física; 6) adsorventes; 7) surfactantes; 8) drogas radioativas; 9) anestésicos inespecíficos (nitrogênio, xenônio...).

A maior parte das drogas produz seu efeito por meio de interações químicas mais ou menos específicas com constituintes dos tecidos. Essas interações envolvem ligações químicas entre as moléculas da droga e moléculas do sistema biológico. Ligações covalentes são ligações fortes, onde elétrons são mutualmente compartilhados nas órbitas mais superficiais. Ligações eletrostáticas são formadas pela força atrativa entre cargas elétricas opostas. Ligações hidrofóbicas ocorrem

quando camadas de água estrutural associadas com grupos hidrofóbicos de 2 moléculas separadas entram em contato. Há uma tendência da água se mover entre os grupos hidrofóbicos e formar uma única estrutura ao redor de ambas.

Agentes quelantes são componentes que seqüestram íons metais polivalentes formando 2 ou mais ligações coordenadas ou uma combinação de ligações coordenadas e iônicas. São agentes quelantes: derivados da etilenedianima (EDTA, por exemplo), desferrioxamina (ferro), agentes quelantes contendo enxofre (dietilditiocarbamato).

Enzimas como alvos primários para a ação de drogas:Drogas atuando primariamente na inibição de enzimas por meio de

diferentes mecanismos, como, inibição competitiva, substratos alternativos, inibidores enzimáticos irreversíveis, atuação em co-fatores, etc.

Receptores como alvos primários para a ação de drogas:O conceito original de receptor foi introduzido independentemente por

Langley (1852-1926) e Ehrlich (1854-1915). Para Langley que estava interessado no sistema nervoso autônomo, “havia uma combinação química entre a droga e um constituinte da célula- a substância receptora”. Ehrlich estava interessado em corantes celulares e na resposta imune contra bactérias e contra venenos de serpentes. Ele postulava que atividades específicas da célula poderiam ser intermediadas por “cadeias laterais” ou “receptores” aos quais o grupo haptofórico da droga ou toxina iria atacar e que a droga ou toxina também possuíam um grupo toxofílico. Uma analogia à ação de uma droga em um receptor é aquela da chave e fechadura. Esta analogia foi primeiramente proposta por Fischer em 1894 para ação de enzimas. A interação de drogas com receptores se assemelha grandemente à interação de substratos com enzimas. Entretanto, há algumas diferenças importantes, a principal delas é que “enzimas alteram substratos e drogas alteram receptores”. A conseqüência da formação do complexo enzima-substrato é a liberação de uma enzima livre e produtos da reação catalisada. Geralmente, não há grande dificuldade em quantificar a taxa de reação enzimática. A conseqüência da formação do complexo droga-receptor é uma resposta, que pode ser medida, mas a relação entre o evento primário (formação do complexo) e os eventos sucessivos que culminam com a resposta quantificável só foi bem estabelecida nas últimas décadas, para algumas ações mediadas por receptores.

Propriedades dos receptores:Sensibilidade: Muitas drogas produzem efeitos marcantes em concentrações

bastante baixas, ou em pequenas doses. A energia para a resposta não é suprida pela droga ou sua combinação com o receptor. A combinação da droga com o receptor requer amplificação para induzir a resposta: isso pode ser uma ação de disparo, liberando energia potencial armazenada na célula alvo, ou pode ser originada de uma cascata de amplificação (uma série de mudanças, cada uma com um fator de amplificação pequeno).

Seletividade: Respostas envolvendo um dado tipo de receptor são somente elicitadas por uma pequena gama de substâncias químicas com grupos estruturais e propriedades elétricas semelhantes. Seletividade é maior com agonistas (drogas

que produzem uma resposta) do que com antagonistas (drogas que bloqueiam respostas aos agonistas).

Especificidade: A resposta das células a qualquer dado tipo de agonista agindo no mesmo conjunto de receptores é sempre a mesma, sendo determinada pelas propriedades das células.

Receptores são complexos de macromoléculas que interagem com drogas e essa interação fornece um estímulo que provavelmente envolve uma mudança conformacional no receptor ou em seus ambiente imediato.

Se o receptor de dois ou mais agonistas for o mesmo, a ordem de potência deve ser a mesma; se for diferente, se a ordem de potência difere, os receptores devem ser diferentes. Variantes de receptores que têm um número de agonistas em comum são denominados de isoreceptores ou isoceptores (por exemplo, receptores adrenérgicos).

No estudo da cinética da interação droga-receptor, alguns conceitos devem ser conhecidos. Biofase, ou fase biologicamente ativa, designa o meio ambiente em que a droga está na posição de interagir com o receptor sem barreiras difusionais interferindo. Na maior parte das preparações de tecido isolado, a concentração da droga na biofase é dada por sua concentração na solução salina que banha o tecido. Quando uma droga é estudada em sistemas que são mais complicados que os tecidos, outros fatores devem ser considerados, como a absorção, a distribuição, o metabolismo e a excreção (fatores farmacodinâmicos).

Agonista é a droga que atua em receptores e elicita uma resposta que pode ser um aumento ou uma diminuição em uma manifestação particular da atividade celular ou de células às quais os receptores estão associados. Agonista é uma droga que atua em um conjunto específico de receptores de uma dada célula (ou população de células) de modo que o complexo agonista-receptor desencadeia uma resposta quando os receptores não estão engajados em interações com drogas de origem exógena ou endógena, e o agonista é isento de outras ações no sistema em estudo que poderiam influenciar a resposta disparada pela interação específica da interação agonista-receptor.

A relação droga-receptor pode ocorrer segundo duas teorias principais: teoria da ocupação, onde a resposta é função da ocupação dos receptores pelo agonista, e teoria da taxa, onde a resposta é uma função da taxa de ocupação dos receptores pelo agonista.

Relação linear entre ocupação do receptor e resposta, com a resposta máxima ocorrendo quando todos os receptores estão ocupados. O efeito observado é linearmente proporcional à ocupação do receptor e a resposta máxima é alcançada quando o número total de receptores é ocupado. Nesse caso, deve-se assumir que: 1) um estímulo “tudo-ou-nada” é elicitado pela combinação de cada receptor com um agonista; 2) ocorre somação desses estímulos individuais; 3) o efeito é linearmente proporcional ao número de estímulos; 4) a resposta máxima ocorre quando cada receptor é ocupado por um agonista; 5) o complexo agonista-receptor é formado por ligações química reversíveis prontamente e rapidamente; 6) a ocupação de um receptor não afeta a tendência de outros receptores serem ocupados. Por meio da equação matemática que explica essa teoria, observa-se que a plotagem da porcentagem de resposta x concentração do agonista produz uma curva hiperbólica. A plotagem

da percentagem de resposta x o logaritmo da concentração do agonista produz uma curva sigmóide simétrica. Assim, a constante de dissociação para a interação agonista-receptor é igual à concentração do agonista que produz 50% da resposta. A porção central da curva sigmóide, correspondendo às respostas de 20 a 80% da máxima, é um linha reta.

O antagonista competitivo é a droga que interage reversivelmente com o receptor para formar o complexo, mas o complexo antagonista-receptor não produz uma resposta. A interação antagonista-receptor é caracterizada por uma constante de dissociação, mas a atividade intrínseca do antagonista é zero. Quando se constrói curvas concentração de agonista x ocupação de receptores por agonista (ou resposta produzida), na presença de concentrações diferentes de antagonista competitivo, obtêm-se curvas com mesma forma, com mesma resposta máxima, com porções lineares paralelas, mas com deslocamento à direita ou à esquerda. Ou seja, curvas log da concentração x resposta são deslocadas para à direita na presença do antagonista competitivo, mas a resposta máxima permanece a mesma e a porção linear permanece paralela a aquela do agonista sozinho. O efeito do antagonista pode ser sobreposto pelo aumento na concentração do agonista.

Quando um antagonista forma uma ligação forte com o receptor, a taxa de dissociação do complexo antagonista-receptor é tão lenta que é virtualmente zero. Nesse caso, o antagonista é denominado de irreversível e o antagonismo não é sobreposto pelo aumento na concentração do agonista. O grau de antagonismo aumenta com o aumento na concentração de antagonista. A população de receptores disponível para a interação com agonista é reduzida, portanto, a resposta máxima também é reduzida. A ocupação dos receptores pelo antagonista irreversível pode ser reduzida pela presença simultânea de elevadas concentrações do agonista ou de um antagonista competitivo.

Agonista parcial (agonista dual) é aquele que atua formando o complexo agonista-receptor e desencadeia a resposta, mas não produz a mesma resposta do que agonistas mais ativos. Por isso pode ser denominado agonista e antagonista (agonista dual). Atividade intrínseca () é a força do estímulo farmacológico produzido pela ocupação do receptor. Para agonistas ativos =1, para dualistas 10, para antagonistas =0.

Teoria da ocupação com relação não-linear entre a ocupação do receptor e a resposta. Uma teoria alternativa proposta por Stephenson (1956) diz que: 1) Um efeito máximo pode ser produzido por um agonista quando somente uma pequena proporção de receptores está ocupada; 2) a resposta não é linearmente proporcional ao número de receptores ocupados; 3) drogas diferentes podem tem capacidades variáveis para iniciar uma resposta e consequentemente ocupar proporções diferentes de receptores quando produzindo respostas iguais. A capacidade de uma droga iniciar uma resposta assim que ocupa o sítio do receptor é denominada eficácia. Um agonista para o qual a reposta máxima é menor do que aquela produzida por um agonista altamente ativo atuando em um mesmo conjunto de receptores é denominado de agonista parcial. Quando um agonista parcial está produzindo sua resposta máxima, todos os receptores estão ocupados, mas a eficácia é tal que o estímulo produzido não é suficiente para gerar a resposta máxima potencialmente obtida pelo sistema. Para um agonista

altamente ativo com uma grande eficácia, a resposta máxima será produzida por uma concentração que não ocupa todos os receptores. Os receptores que permanecem desocupados são chamados de receptores sobressalentes (receptores reservas, spare receptors). Um agonista com eficácia de 100 ocupará cerca de 10% dos receptores quando usado em uma concentração suficiente para produzir uma resposta máxima. Agonistas altamente ativos podem ocupar 0,1% dos receptores quando em concentração suficiente para produzir resposta máxima, portanto, uma eficácia da ordem de 10 000.

Antagonistas irreversíveis podem ser utilizados para avaliar a afinidade e a eficácia do agonista.

Teoria de ação de droga baseada na taxa. O princípio básico desta teoria é que o estímulo proporcionado por uma droga agonista é proporcional à taxa de combinações entre os receptores e as drogas (ao invés da proporção de receptores ocupados), e cada associação entre uma droga e um receptor resulta em um quantum de estimulação.

De acordo com a teoria de ocupação, a resposta cresce exponencialmente até um platô com a adição da droga, e decresce exponencialmente com a remoção da droga. A cinética da resposta de acordo com a teoria da taxa é muito diferente. No tempo=0, no momento de adição da droga, a resposta é 0, mas com a adição da droga, a resposta cresce imediatamente até o pico e, então, decresce exponencialmente até um platô de equilíbrio. O declínio a partir do pico até o platô é denominado de “enfraquecimento”. Na remoção da droga, a teoria de taxa, prevê que a resposta deve cair para zero imediatamente.

Na teoria de taxa, o antagonista deve ter uma ação agonista vestigial, no momento da aplicação, uma vez que é determinado apenas pela taxa de associação.

As principais diferenças entre as teorias de ação de drogas surgem da compreensão incompleta da ligação entre a formação do complexo receptor-droga e a resposta. Algumas teorias são apropriadas para alguns sistemas drogas-receptores, mas não apropriados para outros.

Dedução da natureza do sítio do receptor baseada em relações estrutura-função. A compreensão da forma física e das estruturas químicas do sítio receptor é baseada no princípio de que o receptor é complementar às drogas que interagem com ele, assumindo estudos conformacionais, da estrutura eletrônica das drogas, especialmente com agonistas altamente potentes, que podem permitir deduções sobre o receptor. Na caracterização de receptores em termos de relações estrutura-função, a informação obtida do agonista é geralmente mais útil do que a de antagonistas. No geral, potentes agonistas agem em uma maneira altamente específica com o receptor. No entanto, muitos antagonistas são inespecíficos, ou seja, são freqüentemente multivalentes, bloqueando as ações de diferentes tipos de agonistas em seus respectivos receptores. O grau em que drogas antagonistas apresentam seletividade é determinado pela extensão em que eles se combinam especificamente com os mesmos grupos funcionais do sítio receptor dos agonistas. Antagonistas multivalentes se combinam não somente com o sítio específico, mas também com grupos acessórios de ligação adjacentes ao receptor. No geral, antagonistas relativamente seletivos têm afinidades maiores aos sítios de ligação do que potente agonistas. A alta afinidade de antagonistas

seletivos potentes se deve à combinação das interações entre os grupos de ligação da região receptora além daquelas dos grupos de ligação acessórios.

Tipos de estruturas. Série homóloga. Diferenças na estrutura entre membros de uma série homóloga são de vários tipos: 1) tamanho na cadeia lateral; 2) separação de dois grupos carregados; 3) tamanho de um grupo ionizado; 4) grau de substituição e tamanho de substituintes no átomo nitrogênio amino; 5) mascaramento dos grupos hidroxila por alquilação; 6) mudança na forma de uma cadeia alquila... Substituição halostérica. Isósteres são átomos, grupos de átomos ou moléculas, com semelhança em tamanho ou forma, mas com diferentes propriedades elétricas. Isômeros ópticos. Diferenças nos pares de isômeros ópticos (enantiômeros). Drogas restritas conformacionalmente. Agonistas com estruturas rígidas podem fornecer informações sobre a organização espacial do receptor. Isômeros geométricos. Alterações na conformação trans e cis.

Aspectos dinâmicos das interações droga-receptor. Efeito cooperativo entre grupos de ligação de um receptor. Fortes agonistas interagem simultaneamente com vários grupos de ligação de cada sítio receptor. A perda de um destes grupos funcionais, ou a atenuação da intensidade dessa ligação com o receptor, diminui a potência. A diminuição da potência pode ser resultado de uma perda da eficácia, assim como de uma diminuição na afinidade. Assim, há um efeito cooperativo entre os grupos de ligação quando eles estão engajados em uma interação com um agonista forte. Por exemplo: acetilcolinesterase contém um sítio aniônico e um sítio éster; a perda de um grupo reduz a taxa de inibição da acetilcolinesterase em 400 vezes. Encaixe induzido e mudanças conformacionais no receptor. O sítio receptor somente adota a conformação apropriada na presença de uma droga que interage. A conseqüência da interação provoca uma mudança conformacional subsequente: isso é observado inteiramente com um agonista, menos com um agonista parcial e inibido com um antagonista. A mudança conformacional na molécula receptora pode estar ligada a uma mudança conformacional em um sistema enzimático ou um sistema de transporte. A mudança conformacional induzida por uma droga no receptor pode ocorrer como resultado de mudanças na distribuição eletrônica da molécula quando as ligações entre a porção receptora e o agonista são formadas.

Um receptor é uma forma de transdutor que é ativado pela interação com um agonista e modula alguma parte de mecanismos celulares para desencadear uma resposta característica, e a ativação envolve uma mudança conformacional. A mudança conformacional no receptor pode resultar de uma alteração nas propriedades da membrana celular, afetando sua permeabilidade passiva ou suas propriedades de transporte ativo, ou pode estar relacionada à ativação de uma enzima.

Na teoria da ocupação, a mudança conformacional no mecanismo mediado por resposta persiste enquanto o sítio receptor estiver ocupado. Na teoria de taxa, cada quantum de excitação (ou seja, cada associação entre agonista e receptor) produz uma mudança momentânea na permeabilidade ou no movimento iônico. O mecanismo de abertura de um canal iônico envolve um complexo macromolecular constituído de uma porção receptora e uma porção ionófora. Uma proposta alternativa seria que uma mudança conformacional na molécula receptora resultaria no aparecimento de um canal iônico.

Sistemas de segundos mensageiros. Muitos hormônios, neurotransmissores ou autacóides atuam em receptores específicos: a presença ou ausência do receptor específico ao agonista endógeno é o determinante primário da resposta. A conseqüência imediata do complexo receptor-agonista é a ativação da enzima adenilato ciclase e isso é seguido da conversão de ATP em AMPcíclico. O segundo mensageiro, AMPcíclico, ativa outras enzimas, e isso, por sua vez, produz a resposta característica da célula. Outro sistema de segundo mensageiro envolvendo GMPcíclico foi identificado em vários tecidos. Quando os dois sistemas (AMPcíclico e GMPcíclico) estão presentes, eles estão ligados a receptores por meio dos quais drogas produzem efeitos opostos.

Adições sucessivas de uma mesma dose de um agonista potente, como acetilcolina ou histamina, geralmente produzem respostas constantes, desde que sejam utilizadas concentrações modestas, o tempo de exposição não seja tão prolongado e um período de repouso longo seja permitido a fim de que o tecido se recupere da resposta. No entanto, com algumas drogas, a resposta torna-se menor. Esse fenômeno é conhecido como taquifilaxia (do grego: proteção rápida).Taquifilaxia implica em uma diminuição consideravelmente rápida na resposta, enquanto que tolerância é geralmente empregada para descrever uma diminuição mais gradual na eficiência da droga adicionada repetitivamente durante um período de tempo mais longo. Taquifilaxia específica a um tipo de receptor pode ser obtida em músculo liso com o uso de serotonina, sem afetar a resposta a outros agonistas. É mais difícil se obter taquifilaxia com histamina e quase impóssível com acetilcolina. Quando doses extremamente elevadas de acetilcolina são usadas, o tecido torna-se menos sensível, mas não a todos os agonistas; isso é uma desensibilização não-específica. Isso pode ser devido à perda de potássio intracelular. Um tipo muito diferente de taquifilaxia é aquele desencadeado por drogas que agem indiretamente, ou seja, aquelas cuja atividade farmacológica leva à liberação de um agente ativo no tecido. O termo tolerância é geralmente utilizado para aquelas drogas aplicadas clinicamente em drogas cada vez maiores para produzir o efeito desejado. Por exemplo: morfina e drogas relacionadas, drogas bloqueadoras de adrenalina que são usadas no tratamento da hipertensão.