Farmacodinâmica 1 Interações ligante-receptor

Corpora non agunt nisi fixata Uma vez que o xenobiótico tenha chegado até o órgão-alvo, deve interagir com as moléculas receptoras de forma a produzir um efeito farmacológico. Podemos dividir essa etapa em Reconhecimento molecular Reação de ligação Reação de ativação Transdução de sinal

Uma vez que o xenobiótico tenha chegado até o órgão-alvo, deve interagir com as moléculas receptoras de forma a produzir um efeito farmacológico.

Podemos dividir essa etapa em

Reconhecimento molecular

Reação de ligação

Reação de ativação

Transdução de sinal

A especificidade das interações moleculares Fischer (1894): Modelo “chave-e-fechadura” valoriza a complementaridade da forma das moléculas. Koshland (1958): Tanto o receptor quanto o ligante adaptam suas estruturas para ligarem-se uns aos outros (“induced fit”). Foote e Milstein (1994): Existem diferentes conformações tanto do receptor quanto do ligante, e a ligação ocorre preferencialmente entre as conformações que são complementares.

Fischer (1894): Modelo “chave-e-fechadura” valoriza a complementaridade da forma das moléculas.

Koshland (1958): Tanto o receptor quanto o ligante adaptam suas estruturas para ligarem-se uns aos outros (“induced fit”).

Foote e Milstein (1994): Existem diferentes conformações tanto do receptor quanto do ligante, e a ligação ocorre preferencialmente entre as conformações que são complementares.

Proteínas não são peças de Lego® Como as propriedades biofísicas das interfaces de ligação de uma proteína diferem das propriedades do resto da proteína? Essas diferenças são suficientes para prever quais são os sítios de ligação?

Como as propriedades biofísicas das interfaces de ligação de uma proteína diferem das propriedades do resto da proteína?

Essas diferenças são suficientes para prever quais são os sítios de ligação?

Base física do reconhecimento Pauling e Delbrück (1940) propuseram que as interações de van der Waals, as interações eletrostáticas, e as pontes de hidrogênio estabilizam moléculas e complexos. Kauzmann (1959) descreveu o efeito hidrofóbico, uma atração baseada na entropia.

Pauling e Delbrück (1940) propuseram que as interações de van der Waals, as interações eletrostáticas, e as pontes de hidrogênio estabilizam moléculas e complexos.

Kauzmann (1959) descreveu o efeito hidrofóbico, uma atração baseada na entropia.

Efeito hidrofóbico A dissolução das partes polares e carregadas da molécula no momento da formação do complexo tem um grande custo energético. Esse custo energético é parcialmente compensado pelas interações de Coulomb e pontes de hidrogênio que são formadas no complexo. Essas interações não são tão favoráveis qto as interações com a água. A dissolução das partes apolares da superfície libera moléculas de água, o que aumenta a entropia do sistema. Isso ocorre quando a proteína forma um “buraco” em sua estrutura. Esse ganho de entropia é favorável à formação de complexos.

A dissolução das partes polares e carregadas da molécula no momento da formação do complexo tem um grande custo energético.

Esse custo energético é parcialmente compensado pelas interações de Coulomb e pontes de hidrogênio que são formadas no complexo.

Essas interações não são tão favoráveis qto as interações com a água.

A dissolução das partes apolares da superfície libera moléculas de água, o que aumenta a entropia do sistema. Isso ocorre quando a proteína forma um “buraco” em sua estrutura.

Esse ganho de entropia é favorável à formação de complexos.

Biofísica da especificidade O efeito hidrofóbico é o maior termo estabilizador dos complexos moleculares em sistemas biológicos. As interações de Coulomb e pontes de hidrogênio provém especificidade a interações proteína-ligante.

O efeito hidrofóbico é o maior termo estabilizador dos complexos moleculares em sistemas biológicos.

As interações de Coulomb e pontes de hidrogênio provém especificidade a interações proteína-ligante.

Superfície acessível

Propriedades do sítio de ligação Aminoácidos presentes

Aminoácidos presentes

Propriedades do sítio de ligação Estrutura secundária

Estrutura secundária

Propriedades do sítio de ligação Curvatura da superfície

Curvatura da superfície

Propriedades do sítio de ligação Potencial eletrostático

Potencial eletrostático

Farmacologia in silico e ancoragem p38 MAPK BIRB796 Kitchen et al., 2004

Funções padrão de energia potencial A energia potencial eletrostática é representada como a somação em pares das interações Coulombicas O potencial de van der Waals geralmente é modelado pela função 12-6 de Lennard-Jones Kitchen et al., 2004

A energia potencial eletrostática é representada como a somação em pares das interações Coulombicas

O potencial de van der Waals geralmente é modelado pela função 12-6 de Lennard-Jones

Reação de ligação A primeira etapa na ação de uma droga consiste na formação de um COMPLEXO DROGA-RECEPTOR reversível , governada pela Lei da Ação das Massas . A Droga ( X A ) R Receptor livre ( N tot - N A ) + AR Complexo ( N A ) k +1 k -1

A primeira etapa na ação de uma droga consiste na formação de um COMPLEXO DROGA-RECEPTOR reversível , governada pela Lei da Ação das Massas .

Lei da Ação das Massas A Droga ( X A ) R Receptor livre ( N tot - N A ) + AR Complexo ( N A ) k +1 A Droga ( X A ) R Receptor livre ( N tot - N A ) + AR Complexo ( N A ) k -1

Em equilíbrio... Constante de equilíbrio para a reação A + R  AR K A EQUAÇÃO DE HILL-LANGMUIR Possui a dimensão de concentração É numericamente igual à concentração da droga necessária para ocupar 50% dos sítios em equilíbrio Quanto maior a AFINIDADE da droga pelos receptores, menor o K A “Tendência ou grau com que as moléculas de drogas são atraídas para seus receptores” AFINIDADE Descreve a relação entre a ocupação dos receptores e a concentração da droga .

Possui a dimensão de concentração

É numericamente igual à concentração da droga necessária para ocupar 50% dos sítios em equilíbrio

Quanto maior a AFINIDADE da droga pelos receptores, menor o K A

Entropia na reação de ligação Além do aumento da entropia do solvente, também aumenta a entropia dos solutos: Perda de entropia translacional e rotacional devido à formação do complexo. Mudanças na entropia vibracional devido à formação do complexo. Mudanças na entropia conformacional devido à restrição dos ângulos diedricos durante a formação do complexo.

Além do aumento da entropia do solvente, também aumenta a entropia dos solutos:

Perda de entropia translacional e rotacional devido à formação do complexo.

Mudanças na entropia vibracional devido à formação do complexo.

Mudanças na entropia conformacional devido à restrição dos ângulos diedricos durante a formação do complexo.

Estabilidade do complexo ligante-receptor A estabilidade de um dado complexo pode ser mensurada determinando-se K A ou determinando-se k +1 e k -1 . A constante K A é diretamente relacionada à energia livre de Gibbs.

A estabilidade de um dado complexo pode ser mensurada determinando-se K A ou determinando-se k +1 e k -1 .

A constante K A é diretamente relacionada à energia livre de Gibbs.

Energia de ligação A energia de ligação também pode ser determinada através da estimação das contribuições entálpicas e entrópicas para a estabilidade do complexo ligante-receptor. A melhor forma de determinar numericamente a energia de ligação é por métodos de dinâmica molecular (perturbação de energia livre e integração termodinâmica). Isso precisa ser feito tanto para o complexo qto para o ligante livre.

A energia de ligação também pode ser determinada através da estimação das contribuições entálpicas e entrópicas para a estabilidade do complexo ligante-receptor.

A melhor forma de determinar numericamente a energia de ligação é por métodos de dinâmica molecular (perturbação de energia livre e integração termodinâmica). Isso precisa ser feito tanto para o complexo qto para o ligante livre.

Experimentos de saturação de ligação

Experimentos de ligação competitiva Uma única concentração do radioligante. Várias concentrações de ligante não-marcado. IC 50

Uma única concentração do radioligante.

Várias concentrações de ligante não-marcado.

Experimentos de ligação competitiva “‘ Competir’ significa que o receptor pode ligar-se a apenas uma molécula da droga de cada vez” (Rang) Assim, se adicionarmos uma droga B à preparação com a droga A, e B for um antagonista competitivo, esse irá reduzir a ocupação pela droga A.

“‘ Competir’ significa que o receptor pode ligar-se a apenas uma molécula da droga de cada vez” (Rang)

Assim, se adicionarmos uma droga B à preparação com a droga A, e B for um antagonista competitivo, esse irá reduzir a ocupação pela droga A.

Experimentos de ligação competitiva O valor de IC50 é determinado por 3 fatores: Constante de dissociação para a ligação da droga B, não-marcada (K B ); se K B é baixa (i.e., a afinidade da droga B é alta), o IC 50 tbm será baixo. Concentra ção do radioligante (droga A); qto > a [A], mais droga B é necessária para deslocar a droga A do receptor. Afinidade do radioligante pelo receptor (K A )

O valor de IC50 é determinado por 3 fatores:

Constante de dissociação para a ligação da droga B, não-marcada (K B ); se K B é baixa (i.e., a afinidade da droga B é alta), o IC 50 tbm será baixo.

Concentra ção do radioligante (droga A); qto > a [A], mais droga B é necessária para deslocar a droga A do receptor.

Afinidade do radioligante pelo receptor (K A )

Cinética de ligação: Experimentos de dissociação Mensuração da taxa de dissociação do complexo radioligante-receptor. Utiliza-se um radioligante e permite-se que ele se ligue aos receptores, interrompendo a reação qdo. do equilíbrio. ln(2)/k -1

Mensuração da taxa de dissociação do complexo radioligante-receptor.

Utiliza-se um radioligante e permite-se que ele se ligue aos receptores, interrompendo a reação qdo. do equilíbrio.

Determinando k -1

Cinética de ligação: Experimentos de associação

Reação de ativação

Reação de ativação “ As drogas que atuam sobre receptores podem ser agonistas ou antagonistas do receptor. Os agonistas causam alterações na função celular, produzindo vários tipos de efeitos; os antagonistas ligam-se aos receptores sem provocar essas mudanças.” (Rang)

“ As drogas que atuam sobre receptores podem ser agonistas ou antagonistas do receptor.

Os agonistas causam alterações na função celular, produzindo vários tipos de efeitos; os antagonistas ligam-se aos receptores sem provocar essas mudanças.” (Rang)

Curvas de concentração-efeito

Antagonismo competitivo “‘ Competir’ significa que o receptor pode ligar-se a apenas uma molécula da droga de cada vez” (Rang) Assim, se adicionarmos uma droga B à preparação com a droga A, e B for um antagonista competitivo, esse irá reduzir a ocupação pela droga A.

“‘ Competir’ significa que o receptor pode ligar-se a apenas uma molécula da droga de cada vez” (Rang)

Assim, se adicionarmos uma droga B à preparação com a droga A, e B for um antagonista competitivo, esse irá reduzir a ocupação pela droga A.

Antagonismo competitivo Rang et al., 2007

Agonistas parciais Se aplicarmos agonistas diferentes (mas quimicamente relacionados) sobre uma preparação, verificamos que a resposta máxima difere de uma droga para outra. Alguns compostos ( AGONISTAS PLENOS ) podem produzir uma resposta máxima, enquanto ( AGONISTAS PARCIAIS ) só podem produzir uma resposta submáxima. PORTANTO, a capacidade de uma molécula de droga em ativar o receptor é mais uma propriedade graduada do que “tudo-ou-nada”

Se aplicarmos agonistas diferentes (mas quimicamente relacionados) sobre uma preparação, verificamos que a resposta máxima difere de uma droga para outra.

Alguns compostos ( AGONISTAS PLENOS ) podem produzir uma resposta máxima, enquanto ( AGONISTAS PARCIAIS ) só podem produzir uma resposta submáxima.

PORTANTO, a capacidade de uma molécula de droga em ativar o receptor é mais uma propriedade graduada do que “tudo-ou-nada”

Agonistas inversos Além disso, certos agonistas diminuem o nível de atividade que é observado em uma preparação. Esses são chamados AGONISTAS INVERSOS , e também podem ser parciais ou plenos. Rang et al., 2007

Além disso, certos agonistas diminuem o nível de atividade que é observado em uma preparação. Esses são chamados AGONISTAS INVERSOS , e também podem ser parciais ou plenos.

Alosterismo Modulador alostérico: Um ligante que aumenta ou diminui a ação de um agonista ou antagonista primários ligando-se a um sítio distinto na molécula receptora. Agonista alostérico: Um ligante que pode mediar a ativação do receptor por si próprio, ligando-se a um domínio de ligação que é distinto do sítio primário (ortostérico). Modulador ago-alostérico: Um ligante que funciona tanto como agonista quanto como modulador alostérico da eficácia e/ou potência e um ligante ortostérico. Co-agonista: Um modulador ago-alostérico que age junto com o agonista endógeno, de forma a promover eficácia aditiva.

Modulador alostérico: Um ligante que aumenta ou diminui a ação de um agonista ou antagonista primários ligando-se a um sítio distinto na molécula receptora.

Agonista alostérico: Um ligante que pode mediar a ativação do receptor por si próprio, ligando-se a um domínio de ligação que é distinto do sítio primário (ortostérico).

Modulador ago-alostérico: Um ligante que funciona tanto como agonista quanto como modulador alostérico da eficácia e/ou potência e um ligante ortostérico.

Co-agonista: Um modulador ago-alostérico que age junto com o agonista endógeno, de forma a promover eficácia aditiva.

Schwartz e Holst, 2007

Eficácia A relação quantitativa entre o grau de ocupação e o grau de resposta produzida é chamado de EFICÁCIA . Agonistas (inversos ou não) parciais são menos eficazes do que agonistas plenos. Diferente de POTÊNCIA (EC 50 )

A relação quantitativa entre o grau de ocupação e o grau de resposta produzida é chamado de EFICÁCIA .

Agonistas (inversos ou não) parciais são menos eficazes do que agonistas plenos.

Diferente de POTÊNCIA (EC 50 )

Eficácia A eficácia é determinada Por características do tecido Por características da droga

A eficácia é determinada

Por características do tecido

Por características da droga

Eficácia vs. potência

Modelos de dois estados Leff et al., 1997

Modelos mais complexos Kenakin, 1999

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