3. Farmakodynamika
advertisement
3. Farmakodynamika Tłum. B. Malinowska Przez pojęcie farmakodynamiki rozumiemy wpływ oraz mechanizmy działania leku na organizm człowieka, a także na mikroorganizmy i pasożyty chorobotwórcze, które dostały się do organizmu. Zgodnie z tą definicją badania farmakodynamiczne mają na celu określenie sposobu (profil działania, jakość działania) i miejsca działania, a także siły działania (potency) oraz intensywności działania (efficacy, efekt maksymalny). Punkty uchwytu leku. Pierwszorzędowymi miejscami docelowymi dla leku (targets) są głównie białka należące do rodziny receptorów błonowych, kanałów jonowych, transporterów, enzymów czy czynników trans­krypcyjnych. Białka strukturalne, np. tubulina czy glikoproteina IIb/IIIa (receptor dla fibrynogenu, zob. str. 247), mogą także stanowić punkt uchwytu działania leku. Wiele środków leczniczych (np. należących do cytostatyków, zob. str. 416 i dalsze) działa za pośrednictwem bezpośredniego połączenia z DNA, niektóre z nowszych leków (oligonukleotydy antysensowne, zob. str. 53) interferują specyficznie z mRNA. Niektóre z działań zachodzą natomiast bez łączenia się leku z białkiem czy kwasem nukleinowym. Przykładem na to jest neutralizowanie kwasów przez leki przeciw nadkwaśności (zobojętniające, zob. str. 310), przez osmotyczne środki przeczyszczające (zob. str. 315), hamowanie resorpcji kwasów żółciowych przez cholestyraminę (zob. str. 258) lub wzrost przepuszczalności błony komórkowej przez amfoterycynę B (zob. str. 396 i następna). Specyficzność. Aby otrzymać określony efekt terapeutyczny bez jednoczesnych działań niepożądanych, czyli tak jak w przypadku fizjologicznych ligandów, konieczne jest, aby lek, podobnie jak ligand o wysokim powinowactwie i specyficzności, a także wykazujący wysoką selektywność do tkanki, działał tylko na określone typy komórek i na określoną cząsteczkę docelową (np. określone białko), nie wykazując przy tym żadnego istotnego powinowactwa Mutcchler_Book.indb 26 w stosunku do struktur otaczających cząsteczkę docelową. Dla większości leków wymagania te nie są jednak całkowicie spełnione, dlatego oprócz działania zasadniczego należy się liczyć z działaniami niepożądanymi. 3.1. Interakcja lek-receptor Do receptorów farmakologicznych zaliczamy receptory związane z błoną (receptory błonowe, kanały jonowe, receptory kinaz białkowych), a w szerszym tego słowa znaczeniu także wewnątrzkomórkowe (enzymy, białka sygnalizacyjne, czynniki transkrypcyjne) lub białka zewnątrzkomórkowe (np. acetylocholinoesterazę, enzym konwertujący angiotensynę, plazminogen, antytrombinę), które po połączeniu się leku z określonym miejscem wiązania wywołują bezpośrednio lub pośrednio działanie biologiczne. Receptor spełnia podwójną funkcję: rozpoznania sygnału na skutek oddziaływania z lekiem pod wpływem utworzenia kompleksu ligand-receptor i wywołania określonego efektu. W większości wypadków dochodzi do wywołania działania biologicznego nie na drodze bezpośredniej, ale przenoszenia sygnału (transdukcji sygnału). Związki, które pobudzają receptory, są określane jako agoniści (np. działające na receptory dla hormonów lub neurotransmitterów) lub jako aktywatory (np. kanałów jonowych lub transporterów). Kiedy dochodzi do zahamowania aktywności receptora pod wpływem jego połączenia z lekiem, wówczas mówi się o antagonistach lub inhibitorach albo blokerach. 3.1.1. Receptory zewnątrzi wewnątrzkomórkowe Do receptorów wewnątrzkomórkowych należą np. receptory dla hormonów steroidowych (glukokortykosteroidów, mineralokortykosteroidów, androgenów, estrogenów, gestagenów, hormonu witaminy D), kwasu retinowego oraz 2011-08-02 14:46:46 3.1.2. Receptory związane z błoną Receptory związane z błoną można podzielić na: receptory związane z białkiem G, kanały jonowe (zależne od potencjału i od liganda), receptory związane z kinazami białkowymi, transportery (specyficzne dla neurotransmitt­era i jonów). 3.1.2.1. Receptory związane z białkiem G Określenie receptory związane z białkiem G wynika z tego, że łączą się one z białkiem (białko G) wchodzącym w interakcje z nukleoty- Mutcchler_Book.indb 27 dem guaninowym. Do grupy tej należą liczne, bardzo istotne dla farmakoterapii, receptory dla wielu neurotransmitterów, np.: adenozynowe A1 i A 2 , α- i β-adrenergiczne, ATP (P2γ), dopaminowe, GABA B , metabotropowe receptory glutaminianergiczne, muskarynowe (receptory M dla acetylocholiny), opioidowe, serotoninowe (z wyjątkiem receptorów 5-HT3). Do grupy tej zaliczane są także receptory dla hormonów i mediatorów (np. receptory dla hormonu antydiuretycznego, glukagonu, somatostatyny i prostaglandyny). Receptory związane z białkiem G (ryc. A 3.1-1) zawierają siedem helikalnych domen transmembranowych (I-VII), a także po trzy pętle zewnątrz- (ES1-ES3) i wewnątrzkomórkowe (IS1-IS3). Są w związku z tym określane jako receptory heptahelikalne. A3 hormonów tarczycy. W przypadku tych białek docelowych mamy do czynienia z czynnikami transkrypcyjnymi. Należą tutaj także receptory aktywowane przez proliferatory peroksysomów (PPAR), stanowiące białko docelowe dla fibratów (zob. str. 255) i glitazonów (zob. str. 210). Do receptorów wewnątrzkomórkowych zaliczają się ponadto liczne enzymy stanowiące punkt uchwytu dla leku, np. cyklazy guanylanowej (dla nitratów, zob. str. 274 i dalsze), reduktazy HMG-CoA (dla statyn, zob. str. 257 i dalsze), 5α-reduktazy testosteronu (dla finasterydu, zob. str. 337) lub fosfodiesterazy (m.in. dla sildenafilu, zob. str. 294). Także białka sygnałowe, np. cyklofilina, punkty uchwytu dla leków immunosupresyjnych, np. cyklosporyny, takrolimusu (zob. str. 438 i dalsze), należą do tej grupy. Receptory wewnątrzkomórkowe zlokalizowane są w cytoplazmie (np. hormony steroidowe, cyklaza guanylanowa i fosfodiesterazy) lub w jądrze komórkowym (np. receptory dla hormonów tarczycy). Cząsteczki docelowe dla leków mogą być także zlokalizowane zewnątrzkomórkowo. Przykładami są tutaj cholinoesterazy (np. dla donepezilu, zob. str. 91, lub neostygminy, zob. str. 175), enzym konwertujący angiotensynę (dla inhibitorów ACE, zob. str. 284 i dalsze), antytrombina (dla heparyny, zob. str. 249 i dalsze) czy plazminogen (dla rekombinowanych tkankowych aktywatorów plazminogenu, zob. str. 253). W końcu wydzielane przez komórki substancje, tj. TNF-α, mogą służyć jako zewnątrzkomórkowe receptory dla mających znaczenie terapeutyczne przeciwciał (np. infliksimab, zob. str. 115 i dalsze). 27 Farmakodynamika Interakcja lek-receptor Transdukcja sygnału. W przypadku receptorów związanych z białkiem G dochodzi do przekazania sygnału w ten sposób, że połączenie liganda z receptorem powoduje zmianę konformacji białka receptorowego, która za pośrednictwem białka G wywołuje kaskadę dalszych reakcji (ryc. A 3.1-1). Białko G może przy tym wpływać bezpośrednio na kanały jonowe lub poprzez interakcję z określonym enzymem pobudzać albo hamować powstawanie drugiego przekaźnika (second messenger). Takie różnorodne funkcje wynikają z istnienia wielu różnorodnych białek G, np. stymulujących cyklazy (białko Gs), hamujących cyklazy (białko Gi), pobudzających fosfolipazę C (białko Gq). We wszystkich przypadkach za interakcję receptora z białkiem G jest odpowiedzialna trzecia pętla wewnątrzkomórkowa. Decyduje ona też o tym, z jakim typem białka G zachodzi interakcja. Struktura i funkcja białek G. Białka G tworzą rodzinę białek heterotrimerów, które składają się z podjednostki α oraz β i γ. Podjednostka α zawiera miejsce wiązania nukleotydu guaninowego (guanyzynobifosforan – GDP lub trifosforan – GTP), a hydrofobowe podjednostki β i γ łączą białko G z błoną komórkową. W stanie nieaktywnym wszystkie podjednost- 2011-08-02 14:46:48 28 Farmakodynamika agonista A symbol receptora receptor receptor Gα GDP GTP GTP Gα q cyklazy adenylanowe 2 α GTP Gα 12,13 fosfolipazy Rho (cytoszkielet) 3 1 βγ G A A α kanały jonowe, kinazy Pi3, fosfolipazy, cyklazy adenylanowe, kinazy receptorowe, MAP-kinazy GTP Gα s kanały jonowe, cyklazy adenylanowe, fosfolipazy A γ β GTP Gα i B γ β α βγ βγ GTP GDP GDP białka efektorowe białka efektorowe GDP skurcz naczyń krwionośnych, wydzielanie, proliferacja, chemotaksja βγ α A 4 Ryc. A 3.1-1. A) Różnorodne sposoby transdukcji sygnału receptorów związanych z białkiem G. Pobudzenie przez agonistę receptora związanego z białkiem G prowadzi do dysocjacji heterotrimeru białka G na podjednostkę α i podjednostki β i g, następnie GDP połączony z podjednostką α ulega wymianie na GTP. Receptory związane z białkiem G łączą się z reguły z jedną określoną podjednostką α, z których przedstawiono cztery najważniejsze. Oddzielne podjednostki α pobudzają (albo hamują w przypadku Gα1) różne systemy efektorowe, w tym m.in. kanały jonowe, fosfolipazy, cyklazy adenylanowe i białka wiążące GTP, takie jak Rho, które regulują strukturę cytoszkieletu. Kinaza Pi3 – kinaza fosfatydyloinozytolotrifosforanu, Pi – fosforan nieorganiczny. B) Cykl pobudzenia i zahamowania białka G. Po połączeniu się agonisty z zawierającym 7 domen transmembranowych receptorem (1) na skutek wymiany GDP na GTP dochodzi (2) do dysocjacji białka G (3), co prowadzi do pobudzenia białka efektorowego i końcowej odpowiedzi komórkowej (skurczu naczynia krwionośnego, reakcji wydzielania, proliferacji komórkowej). Dzięki wewnętrznej aktywności GTP-azy podjednostki α GTP zostaje rozłożony do GDP (4). Białko G ponownie tworzy heterotrimer, agonista dyfunduje od receptora i system wraca do początkowego stanu spoczynku. Mutcchler_Book.indb 28 2011-08-02 14:46:56 cyklaza adenylanowa, której stymulacja powoduje tworzenie cyklicznego 3’5’-adenozynomonofosforanu (cAMP), fosfolipaza C, która poprzez rozszczepienie fosfatydyloinozytolo-4,5-bifosforanu wytwarza dwa przekaźniki drugiego rzędu inozytolo-1,4,5-trifosforan (IP3) i 1,2-diacyloglicerol (DAG), fosfodiesteraza (izoforma 6) w siatkówce, która rozkłada istotne dla procesu widzenia cGMP, + 2+ kanały K oraz neuronalne kanały Ca (zob. poniżej), których aktywność jest pobudzana lub hamowana przez podjednostki β i γ, 3-kinaza fosfotydyloinozytolu (PI3), która za pośrednictwem kinazy białkowej B reguluje różne funkcje komórki. Powstałe w wyniku reakcji enzymatycznych drugie przekaźniki cAMP, IP3 i DAG wywołują kolejne reakcje, np. pobudzają kinazy białkowe i w wyniku tego fosforylację białek, a także prowadzą do uwalniania jonów Ca2+. Jon ten ma istotne znaczenie w regulacji wielu funkcji komórkowych. 3.1.2.2. Receptory jonotropowe W błonach komórkowych występują utworzone przez białka kanały jonowe, które na skutek zmian konformacyjnych białka tworzącego kanał mogą być otwarte lub zamknięte. Z powodu ich różnej budowy przestrzennej oraz Mutcchler_Book.indb 29 lokalizacji ładunków elektrycznych umożliwiają przepływ tylko określonych jonów. Odpowiednio więc do nazwy jonów, w stosunku do których są (w znacznym stopniu) selektywnie przepuszczalne, odróżnia się kanały sodowe, potasowe, wapniowe i chlorkowe. Siłą powodującą ruch jonów (do wnętrza komórki i na zewnątrz) jest gradient stężeń między przestrzenią zewnątrz- i wewnątrzkomórkową oraz istniejący potencjał błonowy. Ilość przepływających jonów zależy od ilości otwartych kanałów, czasu ich otwarcia oraz przepuszczalności dla odpowiednich jonów, tzw. przewodność. W przypadku kiedy kanały są otwierane lub zamykane pod wpływem ligandów, mówi się o kanałach zależnych od ligandów. Jeżeli natomiast do otwierania i zamykania kanałów dochodzi w wyniku depolaryzacji lub hiperpolaryzacji błony komórkowej, mówi się o kanałach zależnych od potencjału. Kanały jonotropowe zależne od ligandów (ryc. A 3.1-2). Należą tutaj następujące kanały: ATP (P2X), GABA A, glutaminianergiczne (NMDA i AMPA), glicynowe, 5-HT3, receptor nikotynowy (receptor N dla acetylocholiny), + 2+ K (wrażliwe na ATP, aktywowane Ca /kalmoduliną, regulowane za pośrednictwem białka Gi „GIRK”). A3 ki tworzą jedną wspólną, niepołączoną z receptorem, cząsteczkę białka, w której GDP jest związany z podjednostką α. W wyniku stymulacji odpowiednich receptorów błonowych początkowo białko G łączy się z tym receptorem, a GDP zostaje zastąpiony przez GTP. Następnie oddzielają się od siebie podjednostki α, β i γ, a podjednostka α zawierająca jeszcze ciągle GTP, a także podjednostki β i γ, które od niej oddysocjowały, pobudzają lub hamują ich białka efektorowe. Dzięki uzyskaniu przez podjednostkę α aktywności GTP-azy GTP ulega rozszczepieniu do GDP i nieorganiczną resztę fosforanową. Ten proces hydrolizy jest przyspieszany przez tzw. białko GAP (GTP-ase activating proteine), jeden z enzymów należących do rodziny białek RGS (regulators of G-protein signaling). Po rozszczepieniu GTP cały system wraca do początkowego stanu spoczynku. Do ważnych białek efektorowych podlegających regulacji przez białka G należą: 29 Farmakodynamika Interakcja lek-receptor W przypadku kanałów jonowych zależnych od ligandów interakcja liganda z receptorem prowadzi do podwyższenia lub obniżenia prawdopodobieństwa otwarcia kanału, a następnie do nasilonej lub osłabionej wymiany określonych jonów. Np. w ten sposób acetylocholina lub nikotyna wiąże się z podjednostką α receptorów nikotynowych, otwiera kanał i wywołuje potencjał czynnościowy przez napływ jonów sodowych do wnętrza. Kanały jonotropowe zależne od potencjału (ryc. A 3.1-3). Także sterowane potencjałem błonowym (zależne od potencjału) kanały jonowe mogą stanowić receptor dla leku, np. nifedypina i werapamil jako blokery dla kanałów Ca 2+ (zob. str. 277 i dalsze), a lidokaina dla kanałów Na+ (zob. str. 128). W odróżnieniu od kanałów zależnych od ligandów zamknięcie 2011-08-02 14:46:58 30 Farmakodynamika Receptory jonotropowe, np. receptor nikotynowy dla acetylocholiny miejsce wiązania dla acetylocholiny acetylocholina Na+ acetylocholina połączona symbol receptora L – struktura pentameru – – otwarta konformacja – zamknięta konformacja Ryc. A 3.1-2. Struktura i pobudzenie receptora nikotynowego dla acetylocholiny. Ten zależny od liganda kanał jonowy jest pentamerem, który składa się z dwóch podjednostek α oraz po jednej β, g i d. Po przyłączeniu dwóch cząsteczek acetylocholiny do podjednostek α dochodzi do zmian konformacyjnych, co prowadzi do otworzenia kanału. Prąd jonowy jest skierowany dokomórkowo zgodnie z gradientem stężeń oraz przyciągany przez ujemnie naładowane białka, preferencja dla prądu Na+ związana jest z selektywnym filtrem znajdującym się w środku kanału. Po prawej stronie przedstawiono używany w następnych rozdziałach symbol dla tego typu receptora (zależny od liganda kanał jonowy). A Kanały jonowe zależne od potencjału, np. kanał Na+ I II por III por por IV + + + + + + + + H2N P P P por przestrzeń zewnątrzkomórkowa przestrzeń wewnątrzkomórkowa inaktywacja P B COOH Stany zależnego od potencjału kanału jonowego (np. kanału Na+) Na+ zamknięty Na+ otwarty Na+ symbol receptora w stanie inaktywacji Ryc. A 3.1-3. A) Struktura zależnego od potencjału kanału Na+. Cząsteczka białka składa się z około 2000 aminokwasów z 4 powtarzającymi się domenami, które każdorazowo zawierają 6 segmentów transmembranowych. Każdy z 4 segmentów tych domen zawiera dużą ilość dodatnio naładowanych aminokwasów, tj. argininy czy lizyny. Segmenty te zmieniają konformację kanałów dla �� Na+, kiedy do miejsca, gdzie znajduje się kanał �� Na+,������������������������������������������������������������������������������������������������������������ dotrze potencjał czynnościowy błony komórkowej. Pętla pomiędzy 5. i 6. segmentem transmembranowym reprezentuje wewnętrzne miejsce otwarcia pora kanału w błonie komórkowej. Leżące od strony cytoplazmy fragmenty białka tworzącego kanał mogą ulegać fosforylacji pod wpływem wewnątrzkomórkowych kinaz białkowych, co umożliwia regulację aktywności kanału. B) Zasadniczo rozróżnia się 3 różne stany zależnego od potencjału kanału �� Na+. Pod wpływem potencjału czynnościowego dochodzi do otwarcia kanału �� Na+ pozostającego w stanie spoczynku (zamkniętego), który jednak w ciągu kilku milisekund ulega inaktywacji. Dopiero po repolaryzacji błony komórkowej pod wpływem zmian konformacyjnych związanych z pobudzeniem kanałów K+, białko tworzące kanał przechodzi ponownie w stan wyjściowy (zamknięty). Po prawej stronie przedstawiono używany w następnych rozdziałach symbol dla tego typu receptora. Mutcchler_Book.indb 30 2011-08-02 14:47:11 Interakcja lek-receptor Na przykładzie komórek mięśnia sercowego można wyjaśnić znaczenie takich kanałów. Napływ jonów Na+ do komórek mięśnia sercowego wywołuje gwałtowną depolaryzację, co prowadzi do otwarcia zależnych od potencjału kanałów Ca 2+ typu L. Napływające do komórki Ca 2+ prowadzą do uwolnienia Ca 2+ z siateczki sarkoplazmatycznej, a przez to umożliwiają zapoczątkowanie skurczu kardiomiocytów. Pobudzane, także na skutek depolaryzacji, kanały K+ prowadzą do repolaryzacji błony komórkowej, co powoduje, że nieaktywne na skutek zmian konformacyjnych kanały Na+ i Ca 2+ mogą znowu przejść w stan gotowości do pobudzenia, do którego może dojść pod wpływem następnego pobudzenia. 3.1.2.3. Receptory kinaz białkowych Do tej grupy receptorów należą: receptory wykazujące aktywność kinazy tyrozynowej, Mutcchler_Book.indb 31 receptory związane z kinazą tyrozynową, nylanowej, związane z kinazą seryny/treoniny, receptory śmierci, które wywołują uporządkowaną śmierć komórki (apoptozę). receptory Receptory wykazujące aktywność kinazy tyrozynowej (receptory kinazy tyrozynowej) (ryc. A 3.1-4) charakteryzują się tym, że posiadają zewnątrzkomórkową domenę wiążacą ligand, a części białka znajdujące się w cytozolu są domeną o właściwościach kinazy tyrozynowej, a przez to spełniają funkcję zarówno receptora, jak i kinazy. Do tej grupy należą np. receptory dla insuliny i IGF-1 (zob. str. 200 i następna), a także receptory dla różnych innych czynników wzrostu (np. czynniki wzrostowe naskórka czy fibroblastów). Receptory dla insuliny i IGF-1 są bardzo podobne; składają się z dwóch podjednostek α i dwóch β, łączących się ze sobą mostkami disiarczkowymi. W przeciwieństwie do nich, receptory dla czynników wzrostowych są monomerami. Po przyłączeniu liganda do domeny zewnątrzkomórkowej dochodzi do ich połączenia w dimery lub do zmian konformacyjnych w przypadku heterotetramerowej cząsteczki receptora dla insuliny i ostatecznie do autofosforylacji zlokalizowanych w cytozolu reszt tyrozynowych. Powoduje to tworzenie miejsc przyczepu dla białek sygnałowych, które łączą się z tzw. domenami homologicznymi Src ufosforylowanych reszt tyrozynowych receptora. W ten sposób receptory kinazy tyrozynowej należą do kaskady sygnałowej Ras, która kieruje wzrostem i proliferacją komórek. W przypadku receptorów związanych z kinazą tyrozynową (ryc. A 3.1-5) mamy także do czynienia z białkami monomerycznymi zawierającymi jedną domenę przezbłonową, które łączą się w dimery po przyłączeniu liganda, ale które nie zawierają żadnej własnej domeny kinazy tyrozynowej. Do grupy tej zaliczamy liczne receptory dla kinin, a także receptory czynników wzrostowych, prolaktyny i erytropoetyny. Po aktywacji i dimeryzacji receptora jest on fosforylowany w zakresie reszt tyrozynowych przez białka JAK (just another kinase). W wyniku tego dochodzi do połączenia białek STAT (signal transducers and activators of transcription) z ufosforylowanymi domenami receptora. Połączone białka STAT są z kolei także fosforylowane przez kinazy JAK. Na końcu ufosforylowane białka STAT ulegają A3 receptory wykazujące aktywność cyklazy gua- Farmakodynamika i otwarcie kanałów zależnych od potencjału następuje pod wpływem zmiany potencjału błonowego. Zależne od potencjału kanały mają istotne znaczenie w tkankach pobudliwych, np. w neuronach czy mięśniu sercowym, w powstawaniu, przewodzeniu i pobudzeniu stanu potencjału czynnościowego. W większości przypadków są one otwarte pod wpływem depolaryzacji, która prowadzi do powstania przejściowego, selektywnego prądu jonowego. Aktywacja kanałów Ca 2+ i Na+ prowadzi do pobudzenia, a hiperpolaryzacja związana jest z otwarciem kanałów K+ i Cl- w błonie komórkowej i zmniejszeniem pobudliwości, tak że prawdopodobieństwo otwarcia kanałów Na+ i Ca 2+ zmniejsza się. Po szybkiej początkowej aktywacji kanałów następuje powolniejsza deaktywacja, która najczęściej kończy się jeszcze podczas fazy depolaryzacji. Istnieją także zależne od potencjału kanały jonowe, które są pobudzane pod wpływem hiperpolaryzacji błony komórkowej. Spełniają one ważną funkcję rozruszników w komórkach o rytmicznej aktywności, np. w węźle zatokowym serca czy w określonych neuronach. Przykładami zależnych od potencjału kanałów są następujące kanały: + Na , 2+ Ca (typu L, N, T i P/Q), + K (Kv, hERG, KCNQ). 31 2011-08-02 14:47:16 32 Farmakodynamika Receptor kinazy tyrozynowej 2 cząsteczki EGF domena błonowa RAS stan nieaktywny P P P P GRB SOS symbol receptora RAS RAF stan aktywny Tyr P MAPKK P Thr P Tyr P Aktive MAPKK Aktive MAPK MAPK białko jądro komórkowe fosforylacja czynnika transkrypcji FOS JUN MYC P P P transkrypcja genu Ryc. A 3.1-4. Mechanizm transdukcji sygnałów czynnika wzrostu naskórka (EGF) zachodzący za pośrednictwem receptora EGF. Po stymulacji receptora dochodzi do jego dimeryzacji i autofosforylacji reszt tyrozynowych w domenie cytozolowej receptora. Prowadzi to do rekrutacji białek adaptorowych i ich przyłączenia do ufosforylowanych reszt tyrozynowych receptora EGF. Zaktywowane białka SOS pobudzają małe, łączące GTP białko RAS, które z kolei pobudza serynowo-treoninową kinazę RAF. Prowadzi to do stymulacji kinazy kinaz aktywowanych przez mitogeny (MAPKK), które następnie fosforylują kinazy MAP w zakresie tyrozyny i reszt tyrozynowych. Aktywna MAPK ulega przemieszczeniu do jądra komórkowego, gdzie fosforyluje różne czynniki transkrypcyjne (FOS, JUN, MYC itd.). Umożliwia to transkrypcję genu stymulowanego czynnikem wzrostu. Z kolei proces translacji białka prowadzi do proliferacji komórek. Po prawej stronie przedstawiono używany w następnych rozdziałach symbol dla tego typu receptora. dimeryzacji i są przemieszczane do jądra komórkowego, gdzie aktywują specyficzne geny. Do receptorów mających aktywność cyklazy guanylanowej (związanych z błoną komórkową cyklazą guanylanową) zalicza się przede wszystkim receptory dla przedsionkowego peptydu natriuretycznergo oraz hormonu przewodu pokarmowego guanyliny. Monomeryczne białka transmembranowe tych receptorów posiadają, podobnie jak receptory z aktywnością kinazy tyrozynowej, jedno zewnątrzkomórkowe miejsce wiązania ligandów i jedną domenę wewnątrzkomórkową o aktywności enzymatycznej. W momencie połączenia się ligandów Mutcchler_Book.indb 32 z receptorami mającymi aktywność cyklazy guanylanowej dochodzi do aktywacji domeny cyklazy guanylanowej. Powstały na skutek tego z guanyzyno-5’-trifosforanu (GTP) – cykliczny guanyzyno-3’-5’-monofosforan (cGMP) wywołuje, działając jako drugi przekaźnik, dalsze reakcje, np. zwiotczenie komórek mięśni gładkich czy wydzielanie jonów chlorkowych do światła jelita. Ważnym przykładem receptorów związanych z kinazą seryny/treoniny (ryc. A 3.16) są receptory dla transformujących czynników wzrostowych β (transforming growth factor β, TGF-β), które występują w dwóch 2011-08-02 14:47:22 Interakcja lek-receptor 33 Receptor dla erytropoetyny B Tyr- -Tyr JAK ATP ADP P JAK symbol receptora P JAK STAT JAK proliferacja i różnicowanie erytrocytów z komórek prekursorowych STAT Tyr P Tyr P jądro komórkowe regulacja transkrypcji genów Ryc. A 3.1-5. Schemat receptora związanego z kinazą tyrozynową (np. receptora dla erytropoetyny). A) Po pobudzeniu receptora przez erytropoetynę dochodzi do fosforylacji zlokalizowanych w cytoplazmie ������������������������������������������������������������������ jego ������������������������������������������������������������� fragmentów za pomocą kinazy JAK. B) JAK łączy się z ufosforylowanymi domenami receptora, dzięki czemu jest w stanie fosforylować białka sygnałowe takie jak STAT. Pobudzone białko STAT przechodzi przez błonę jądrową i reguluje transkrypcję genów, co w tym przypadku umożliwia proliferację i różnicowanie erytrocytów z komórek prekursorowych. Po prawej stronie przedstawiono używany w następnych rozdziałach symbol dla tego typu receptora. Farmakodynamika ADP ATP A3 erytropoetyna A Receptor związany z kinazą seryny/treoniny TGF-β A TGF-β R-II R-I B R-I symbol receptora R-II Ser/Thr P P P P Smad2 P P Smad4 P P transkrypcja P jądro komórkowe gen regulujący TGF-β Ryc. A 3.1-6. Model indukowanego ligandem kompleksu receptora TGF-β. Tworzące tę rodzinę receptory odgrywają istotną rolę przy wzroście i różnicowaniu komórek. A) Zależne od TGF-β pobudzenie receptorów TGFβ-I (R-I) pod wpływem fosforylacji przez TGFβ-II prowadzi do szybkiej fosforylacji Smad. Nazwa białka Smad pochodzi od genu, który był po raz pierwszy zidentyfikowany w badaniach genetycznych wykonanych na Drosophila i C. elegans. Gen Drosophili oznaczono jako mad (mother against decapentaplegic), a gen C. elegans jako Smad (Small body size). Kombinacja tych dwóch określeń stworzyła nazwę Smad. B) Fosforylacja Smad2 powoduje po heterooligodimeryzacji z Smad4 przemieszczenie tego kompleksu do jądra komórkowego, gdzie po interakcji z innymi czynnikami jądrowymi działa jako czynnik transkrypcyjny. Po prawej stronie przedstawiono używany w następnych rozdziałach symbol dla tego typu receptora. Mutcchler_Book.indb 33 2011-08-02 14:47:33 34 Farmakodynamika Do tej grupy zaliczamy specyficzne transportery dla określonych neurotansmitterów (ryc. A 3.1-7), np. dla: noradrenaliny, serotoniny lub GABA, także transportery dla jonów, np. + + symporter Na /K /2Cl (zob. str. 331) lub + symporter Na /Cl (zob. str. 331). Transport jonów lub małych cząsteczek organicznych przez błonę komórkową zachodzi za pomocą przenośników, szczególnie wówczas, kiedy transportowane cząsteczki są zbyt polarne, aby same przeniknąć przez błonę. Oprócz transporterów dla neurotransmitterów w obwodowych zakończeniach włókien nerwowych, służących do zwrotnego wychwytu wydzielonego transmittera przez zakończenie presynaptyczne i transporterów dla elektrolitów, występujących głównie w nabłonku Mutcchler_Book.indb 34 5-HT T 3.1.2.4. Transportery neuron presynaptyczny 5-H typach TGFRβ-I i TGFRβ-II. Także cytokina BMP2 (bone morphogenetic protein 2) wywiera swoje działanie za pośrednictwem takiego typu receptora. W przypadku receptorów dla transformujących czynników wzrostowych β obowiązuje następujący mechanizm transdukcji sygnałów: początkowo cytokina TGF-β łączy się z TGFRβ-II, a następnie z TGFRβ-I, tworząc heterodimer. W następnym etapie dochodzi do transfosforylacji z TGFRβ-II na TGFRβ-I, co wywołuje faktyczne przekazanie sygnału. Zaktywowany kompleks receptora za pośrednictwem tzw. białka Smad, którego aktywna forma przechodzi do jądra komórkowego, wpływa na ekspresję genów. Receptory śmierci, które należą do rodziny receptorów czynnika martwicy nowotworów (TNF) są połączone z błonami większości komórek. Ich ważnymi przedstawicielami są receptory TNF1 i CD95. Na przykład połączenie TNF z jego receptorem prowadzi do homotrimeryzacji i rekrutacji określonych białek ­adaptacyjnych, które łączą się z tzw. domenami śmierci trzech podjednostek. Powstały kompleks pobudza kaskadę kaspaz, które prowadzą do inaktywacji białek enzymatycznych i strukturalnych, a także do fragmentaryzacji DNA. Procesy te są określone jako programowana śmierć komórki lub apoptoza. G transporter dla 5-HT błona postsynaptyczna 5-HT G Ryc. A 3.1-7. Funkcja transportera dla serotoniny (5-HT) oraz prei postsynaptyczne receptory 5-HT. Transportery 5-HT występują w błonie zakończenia aksonu neuronu serotonergicznego, gdzie są odpowiedzialne za wychwyt zwrotny neurotransmittera serotoniny do neuronu presynaptycznego po jego uprzednim wydzieleniu na drodze egzocytozy. Transporter dla 5-HT składa się z 12 transmembranowych segmentów. Na rycinie pokazane są także połączone z białkiem G receptory 5-HT, z których te zlokalizowane w błonie postsynaptycznej mają za zadanie dalsze przekazywanie sygnału, a występujące presynaptycznie na zakończeniu aksonalnym neuronu hamują dalszą egzocytozę neurotransmittera. wydzielniczym, np. w kanalikach nerkowych, nabłonku oskrzelowym czy błonie śluzowej jelita, są też transportery dla glukozy i aminokwasów. Szczególnie transmittery dla neurotransmitterów i jonów są receptorami dla ważnych leków, takich jak leki przeciwdepresyjne (zob. str. 77 i następne) czy diuretyki (zob. str. 330 i dalsze). 3.1.3. Desensytyzacja receptora, regulacja w dół (down-regulation) Przy utrzymującej się stymulacji receptora dochodzi do jego desensytyzacji, czyli osłabienia wrażliwości na działanie biologiczne agonisty. Jest to szczególnie udokumentowane dla receptorów heptahelikalnych, czyli połączonych z białkiem G. Podłożem desensytyzacji jest wiele mechanizmów. Tak więc aktywacja receptorów oprócz zapoczątkowania 2011-08-02 14:47:38 tor, przy odnerwieniu lub przy braku neurotransmittera, prowadzi do zwiększenia liczby receptorów (regulacja receptorów w górę, up-regulation). Substancje wpływające pośrednio na określony system mogą zmieniać także liczbę receptorów (heterologiczna regulacja w górę lub w dół). Przykładem tego jest wzrost liczby receptorów dla oksytocyny po podaniu estrogenów, a ich spadek na skutek działania progesteronu czy wzrost liczby receptorów β-adrenergicznych, np. w mięśniu sercowym, przy stosowaniu hormonów tarczycy. Koreluje to ze zmianą wrażliwości tkanek na oksytocynę lub noradrenalinę. Systemy receptorowe charakteryzują się przez to wysoką plastycznością (zdolnością przystosowania do różnorodnych warunków), a przez to są tak samo elastyczne jak systemy enzymatyczne (zob. indukcja enzymatyczna przy biotransformacji, str. 14 i następna). Desensytyzacja receptora nieaktywny podlegający desensytyzacji pobudzany A3 transdukcji sygnału prowadzi także do fosforylacji receptora (ryc. A 3.1-8). W wyniku tego wzrasta powinowactwo receptora do białka wewnątrzkomórkowego – arestyny, hamującego transdukcję sygnału. Do desensytyzacji dochodzi poza tym przez osłabienie ekspresji genów kodujących dany receptor lub przyspieszenie rozkładu kodującego mRNA. Zmienia się także liczba dostępnych receptorów: na skutek utrzymującego się wysokiego stężenia agonisty dochodzi do zmniejszenia liczby aktywnych receptorów przez ich internalizację i nasilony rozkład (regulacja receptorów w dół, down-regulation). Jednym z istotnych przykładów takiej regulacji receptora w dół jest spadek liczby receptorów β-adrenergicznych w niewydolności serca na skutek podwyższonego stężenia katecholamin. Zabezpieczenie receptora przed aktywacją, np. przy podawaniu leków blokujących recep- 35 Farmakodynamika Interakcja lek-receptor agonista GPCR GPCR γ β Gα GPCR Gα γ β GRK P arestyna efektor endocytoza GPCR P Pi arestyna pęcherzyki wewnątrzkomórkowe Ryc. A 3.1-8. Fosforylacja receptora związanego z białkiem G za pomocą specyficznej kinazy receptorowej połączonej z białkiem G (GRK). Pobudzenie receptorów związanych z białkiem G za pomocą agonisty prowadzi do dysocjacji połączonego heterotrimeru białka G. Jego podjednostki βg pobudzają GRK, która fosforyluje receptor. Umożliwia to połączenie arestyny z receptorem od jego cytoplazmatycznej strony. Po połączeniu z arestyną dochodzi do internalizacji receptora w procesie endocytozy i dopiero po odłączeniu agonisty, a także po defosforylacji możliwe jest jego ponowne połączenie z błoną komórkową. Pi – fosforan nieorganiczny. Mutcchler_Book.indb 35 2011-08-02 14:47:43
