Agli studenti del corso di Laurea in C.T.F. (anno accademico 2012-13)

Materiale didattico riguardante argomenti selezionati delle lezioni del corso di Farmacologia e Farmacoterapia. Si raccomanda agli studenti (come più volte sottolineato durante le lezioni) di usare questo materiale solo come aiuto/guida alla preparazione del relativo esame di Farmacologia e Farmacoterapia. Si rammenta, infatti, che l’USO dei TESTI di Farmacologia consigliati (ad esclusiva scelta dello studente) è indispensabile per una corretta, utile e più facile preparazione della materia. Si precisa che il programma completo per la preparazione dell’esame è sempre reperibile presso la segreteria della Sezione di Farmacologia. Gli studenti sono tenuti a svolgere tutti gli argomenti indicati nel programma anche se non compresi nel materiale didattico.Infine, si mettono in guardia gli studenti dall’uso di fotocopie di materiale didattico (presunte stampe delle lezioni) ABUSIVAMENTE vendute presso le copisterie.

Le figure utilizzate nelle lezioni sono quelle dei libri di testo consigliati o sono immagini copyright-free da siti web specializzati

DOSE DI FARMACO

Assorbimento BIOTRASFORMAZIONElegame proteine

sericheMETABOLITI

-Inattivi-Attivi

legame e depositonei tessuti

ESCREZIONE (biliare,renale)

CONCENTRAZIONE DEL FARMACONEL SITO D’AZIONE

OCCUPAZIONE DEL RECETTORE

INTENSITA’ DELL’EFFETTOFARMACOLOGICO

FARMACOCINETICA: Assorbimento Fenomeni che regolano il tempoDiffusione necessario per la comparsaLegame e fissazione dell’effetto di un farmaco, laBiotrasformazione durata e l’intensità dell’effetto: Importanti perEliminazione POSOLOGIA E TOSSICITA’

CONCENTRAZIONE DIFARMACO LIBERO

NEL LIQUIDO EXTRACELLULARE

PROCESSI CHE DETERMINANO LA FARMACOCINETICA

PASSAGGIO ATTRAVERSO LE MEMBRANE

Gli xenobiotici (farmaci, sostanze tossiche, etc.) per essere assorbite devonosuperare:

• Più strati cellulari (pelle)

• Un solo strato di cellule (epitelio gastrointestinale,alveolare,endoteliale,etc.)

• Un insieme di molecole (membrana cellulare)

Membrana cellulare:Modello dinamico a mosaico fluido

• Spessore 7-9 nm

• Doppio strato fosfolipidico con gruppi polari verso l’esterno e l’interno(fosfatidilcolina,fosfatidiletanolammina,etc.) e acidi grassi che alla temperaturacorpora sono quasi allo stato fluido (acidi grassi insaturi)

• Proteine (alcune di quelle intrinseche formano veri pori acquosi)

Meccanismi di passaggio-Diffusione Passiva

Diffusione sempliceFiltrazone

-Trasporto attivo-Diffusione facilitata-Endocitosi

DIFFUSIONE SEMPLICE

Passaggio dei farmaci attraverso le membrane secondo gradiente di concentrazione•Meccanismo di passaggio utilizzato dalla maggior parte degli xenobiotici

Molecole idrofile di piccole dimensioni(600 d)

Passano attraverso i pori acquosi

Es:ETANOLO

Molecole idrofobe

Diffusione attraverso dominio lipidico

N.B. La maggior parte dei farmaci sono molecole organiche voluminose e con diversigradi di liposolubilità

MECCANISMI DI PASSAGGIO TRANSMEMBRANA

DIFFUSIONE PASSIVA• Segue il gradiente di concentrazione

DIPENDE DA:a) Liposolubilità

b) coefficiente di ripartizione lipidi /acqua

tE = d A K d: coefficiente di diffusioneL A: area membrana

L: spessore membranaK: coefficiente ripartizione

•Molecole liposolubili•Elettroliti deboli nella forma non ionizzata

La permeazione di elettroliti deboli dipenderà:- pka e dal pH(grado di ionizzazione)- coefficiente ripartizione lipidi/H2O della forma non ionizzata

•Elettroliti forti(sempre in forma ionizzata) non possono permeare per diffusione passiva!

L’elevata solubilità nei lipidi garantisce un più rapido passaggio in presenza di gradiente di concentrazione favorevole

EQUAZIONE DI HENDERSON - HASSELBACH

ACIDO DEBOLE

AH H + A

Ka = ; pH = pKa + log[AH]

[H+][A-][AH][A-]

BASE DEBOLE

B + H BH+

Ka = ; pH = pKa + log[BH+]

[H+][B][BH+][B]

Quando il pH dell’ambiente = pKa dell’elettrolita questo è dissociato al 50%

3 4 5 6 7 8 9 10 11

HA e BH+

pH < pKa pH < pKa

A- e B

pKa

pH = pKaHA = A-

BH+ = B N.B. solo HA e B possono permeare !

La differenza di pH ai due lati della membrana crea gradienti favorevoli al passaggio degli elettroliti deboli: intrappolamento ionico

Molti farmaci sono elettroliti deboli differentemente ionizzati in relazione al pH fisiologico

• FILTRAZIONE

Passaggio per gradiente di piccole molecole idrofile attraverso pori acquosi

Dipende da:

• Dimensione dei pori(~ 7 Å) • Dimensione molecole(p.m. < 100-200 urea-etilenglicole)• Cariche presenti sul poro• Grado di idratazione molecole

•FLUSSO DI MASSA

Passaggio rapido di sostanze lipofile e idrofile attraverso pori intercellulariesempio: passaggio farmaci attraverso endoteli

Dipende da:

•Flusso sanguigno

TRASPORTO ATTIVO(ES.L-dopa, α-CH3 dopa; 5 F-uracile; Paraquat)

Membrane neuronali,plessi corioidei,tubuli renali,epatociti,etc.

CARATTERISTICHEa) usa carrier mobile a configurazione complementare (usato da sostanzeendogene)b) richiede ENERGIA METABOLICA (ATP da ATPasi) perché avviene controgradientec) UNIDIREZIONALEd) SATURABILEe) BLOCCABILE (blocco produzione energia : es .iodoacetato, fluoruro, cianuro, anaerobiosi) f) soggetto a COMPETIZIONE

DIFFUSIONE FACILITATA

a) Utilizza CARRIER SPECIFICO E SATURABILEb) Non utilizza ENERGIA perché avviene SECONDO GRADIENTE

es.Sostanze endogene(glucosio ass. duodenale Ca2+)

ENDOCITOSI

Captazione di molecole all’interno di vescicole originate da invaginazioni dellamembrana citoplasmatica

1. captazione per adsorbimento: FAGOCITOSI

2.captazione fluida: PINOCITOSI

La sostanza contenuta nelle vescicole viene rilasciata nel citosol per digestionelisosomiale della membrana vescicolare o per fusione membranale

N.B. Meccanismo sfruttato per veicolare i farmaci in maniera tessuto-selettiva

Es: Farmaci antitumorali in liposomi o complessati con anticorpi sono captati dacellule tumorali per endocitosi

ASSORBIMENTO E VIE DI SOMMINISTRAZIONE

• SOMMINISTRAZIONE per via ENTERALE:

tramite la mucosa del canale digerente (via orale, sub-linguale, rettale)

• SOMMINISTRAZIONE per via PARENTERALE:

inalazione, transdermica, iniezione (e.v., s.c., i.m.), etc.

Le diverse vie di somministrazione richiedono diversi livelli di partecipazione daparte del paziente e sono più o meno invasive (e variano nel grado di accettabilità).

Dal punto di vista farmacocinetico, la via utilizzata per la somministrazione influenzerà fortemente il tempo necessario e l’entità dell’assorbimento del farmaco !

VIA ORALE ED ASSORBIMENTO GASTRO-INTESTINALE

ASSORBIMENTO SUBLINGUALE

Piccola superficie di assorbimento ma molto irrorata (circa 0.02 m2)Rapido assorbimento vena giugulare

si evita l’effetto di primo passaggio epatico

ASSORBIMENTO GASTRICOLo stomaco non offre le condizioni migliori per l’assorbimento delle sostanze:•Piccola superficie di assorbimento : circa 0.05 m2

•Variazioni del pH•Stato di riempimento•Variazioni del grado di irrorazione•Patologie gastriche

Tuttavia, il pH ACIDO permette di assorbire gli acidi deboli (aspirina), ma non le basi deboli, per un fenomeno di intrappolamento ionico!Le molecole non ionizzate sono assorbite mediante diffusione passiva in funzione della ripartizione lipidi/H2O

ASSORBIMENTO INTESTINALEL’intestino è l’organo per eccellenza deputato all’assorbimento e quindi anche i farmaci vengono ampiamente assorbiti a questo livello:

• Elevata superficie anche per la presenza dei villi (100 m2)• Elevata vascolarizzazioneTRASPORTO PASSIVO : sostanze liposolubili (vit. A ,D ,E ,K ormoni steroidei, etc) e farmaci non ionizzati (pH=5.3-5.5)TRASPORTO ATTIVO E SPECIALIZZATO : a livello dell’intestino tenue sonopresenti numerosi sistemi di trasporto per sostanze nutrienti:

ZuccheriAminoacidiGammaglobulineBasi azotateSali biliariVitamineIoni (calcio, ferro, cloro)

che possono essere sfruttati anche dai farmaciFAGOCITOSI E PINOCITOSI : come le particelle di grasso

Anche l’assorbimento intestinale può essere variabile, essendo influenzatoda: Motilità intestinale, Tempo di transito, Patologie intestinale, Enzimi digestivi, Flora Batterica e Competizione con alimenti

ASSORBIMENTO PER VIA POLMONARE

Gas e vapori inspirati arrivano a livello degli alveoli polmonariElevata superficie di assorbimento (~ 90 m2)Sottile spessore parete alveolareElevato flusso ematico

Assorbimento sarà funzione di:

•[F] nell’aria inspirata•Coefficiente ripartizione•Solubilità plasmatica

•Ventilazione polmonare•Gittata cardiaca

Coefficiente ripartizione sangue-aria

Coefficiente ripartizione basso (scarsa solubilità plasmatica)Assorbimento aumenta all’aumentare della gittata cardiaca

Coefficiente ripartizione alto (elevata solubilità plasmatica)Assorbimento aumenta all’aumentare della ventilazione polmonare

VIE INIETTIVEEndovenosa

Assorbimento evitato e rapida comparsa effetto. Utile in casi emergenza, permette di regolare la dose in base alla risposta. Adatta a somministrazioni di grandi volumi e di sostanze irritanti se opportunamente diluite. Invasiva, Aumento del rischio degli effetti nocivi. Necessità di somministrazioni lente, Inadatta per soluzioni oleose e sostanze insolubili

Sottocutanea

Assorbimento rapido da soluzioni acquose, lento e prolungato da soluzioni deposito. Adatta per alcune sospensioni insolubili e l’impianto di pellet solidi.Inadatta per grandi volumi. Possibilità di dolore e necrosi da sostanze irritanti

Intramuscolare

Rapido dalle soluzioni acquose, lento e prolungato dal soluzioni deposito.Adatta per volumi moderati, veicoli oleosi e sostanze irritanti.Può interferire con alcune prove diagnostiche

ESEMPI DI ALTRE VIEVIA CUTANEAAssorbimento passivo in funzione del coefficiente di ripartizione Processo lento a causa dello strato corneo dell’epidermideVariabile in funzione di:

Spessore della cute Presenza di abrasioni e lesioni cutaneegrado di vascolarizzazione e di vasi linfaticiAnnessi cutanei (ghiandole sudorifere, sebacee e follicoli piliferi)

FORME FARMACEUTICHEPomate e creme

Eccipenti sprovvisti di potere penetrante x azione locale (lanolina, vaselina)Eccipienti provvisti di potere penetrante per favorire assorbimento sistemico

(stearato di glicole, emulsioni olio/acqua)Cerotti Assorbimento lento e continuo (scopolamina, clonidina, nitroglicerina)

VIA MUCOSALEOculare: Colliri, creme, unguenti oftalimici, inserti oculariSpesso utilizzata per un’azione topica (anestetici locali, antiinfettivi, antiinfiammatori) non esclude la comparsa di effetti sistemici per drenaggio dal canale lacrimale.Vie genito-urinarie

DISTRIBUZIONE

Trasferimento del farmaco dalla circolazione sistemica ai tessuti:

VELOCITA’ DI DISTRIBUZIONE

1. Permeabilità capillare2. Rapporto flusso sanguigno/massa tissutale3. Legame proteine plasmatiche e fenomeni di deposito tissutale4. Differenze tissutali di pH5. Meccanismi di trasporto6. Permeabilità di membrana dei vari tessuti

Volume apparente di distribuzioneFarmaco somministrato i.v.

[F] ematica all’equilibrioVd =

Vd dipende dalla distribuzione del farmaco nella FASE ACQUOSA

Attraversamentopareti vasaliH2O plasmatica

~ 3 litriH2O extracellulare

~ 12 litri

Ingresso in cellula

Proteine plasmatiche

Proteine tissutali

H2O totale~ 40 litri

Vd può variare in funzione di età, sesso, peso corporeo in relazione alla variazione della fase acquosa...

Neonati 70%Adulti 58%Anziani 42%Obesi 49%

...Ed è influenzato da caratteristiche chimico-fisiche del farmacoAlta liposolubilità : Accumulo in cellule adipose o lipoproteine cerebrali

LEGAME ALLE PROTEINE PLASMATICHEIl farmaco può instaurare legami reversibili di tipo ionico, seguendo la legge di azione di massa farmaco proteine plasmatiche quali:

Albumina: carica negativamente ma lega più tenacemente i farmaci acidi che quelli basici (penicillina, salicilati, barbiturici etc.)

α1 glicoproteina acida: lega molecole basiche (clorpromazina, nortriptilina etc.)Lipoproteine: VLDL > LDL > HDLEmoglobina, etc.

Forma legata alle proteine plasmatiche

FORMA LIBERA

N.B. Rapido aumento [F] ematica in forma libera dopo saturazionedelle proteine plasmatiche

La quantità di farmaco legato dipende da:•Concentrazione proteine plasmatiche•Concentrazione farmaco•Affinità farmaco- proteina•Punti di legame offerti dalla proteina

CONSEGUENZE DEL LEGAME FARMACO-PROTEINA PLASMATICA

•Intensità ridotta effetto farmacologico (ritardo nella comparsa dell’effetto)

•Deposito circolante provvisorio (lunga durata d’azione)•Possibilità di competizione con altri farmaci e comparsa di effetti

tossici per aumentata [F] liberoAd esempio:Fenilbutazone spiazza sulfamidiciBilirubina/salicilati

SITI DI ACCUMULOAlcuni farmaci possono accumularsi in tessuti per:• Legame con proteine tissutali• Meccanismi di trasporto attivo• Elevata solubilità

SE IL SITO D’ACCUMULO = ORGANO BERSAGLIO

Elevata intensita’ dell’effetto farmacologico e potenziale elevata tossicitàda sovradosaggio

SE IL SITO D’ACCUMULO ≠ ORGANO BERSAGLIO

Deposito e parziale protezione da tossicità da sovradosaggio. Possibilità di effetti tossici da necrosi e fibrosi del tessuto deposito

Dai siti di deposito la sostanza viene lentamente rilasciata man mano che la frazione libera nel plasma si riduce: LUNGA EMIVITA

PASSAGGIO DAI CAPILLARI AI LIQUIDI INTERSTIZIALI

Veloce in alcuni tessuto per la presenza di fenestrazioni nella parete endotelialeRENE - FEGATO

Più lento in altri tessutiMUSCOLO SCHELETRICO

1

PLASMA23

Organi poco vascolarizzati(Cellule adipose, tendini,muscoli, cartilagini)

Organi molto vascolarizzati(Cuore, reni, fegato, cervello )

Passaggio differenziale dei farmaci attraverso barriereMeccanismo di accesso dei farmaci nel SNC

I farmaci arrivano al SNC tramite i capillari sanguigni o tramite il liquido cerebrospinale che si forma nel terzo ventricolo e nei plessi corioidei del ventricoli laterali

Barriere al passaggio dei farmaci: I capillari del cervello non hanno fenestrazioni,sono circondati da nevroglia ed hanno una spessa membrana basale

CAPILLARI SNCBarriera emato-encefalica

CAPILLARI PLESSI CORIOIDEI SNCBarriera liquor-encefalicaBarriera emato-liquorale

Diversità di permeabilità delle tre barriere: diversa [F] nelle varie aree cerebrali

MOLECOLE POLARI PICCOLE DIMENSIONI (neurotrasmettitori e loro metaboliti) :Sistemi trasporto selettivi

IONI (sodio, potassio cloro)diffusione passiva (BLE)trasporto attivo (BEE e BEL)

GLUCOSIO/AMINOACIDI: Sistemi traporto stereospecifici

DIFFUSIONE PASSIVA: farmaci e xenobiotici in funzione di coefficiente di ripartizione e liposolubilità

Grado di penetrazione SNCTempo di permanenza

Ridistribuzione e depositoRapidoTIOPENTALE

PLASMAMUSCOLO

TESSUTO ADIPOSOSNCRapido

Modificando il pH del sangue si modifica il grado di ionizzazione del farmaco e l’accesso e il tempo di permanenza nel SNC

BARRIERA PLACENTAREEpitelio del villo corionico, tessuto connettivo ed endotelio dei capillari fetale

SANGUE MATERNO

SANGUE FETALE

Regola: passaggio di sostanze nutritive, farmaci, gas, sostanze tossiche

Meccanismi di trasporto attivo: sostanze alimentari (zuccheri, vitamine, calcio)Diffusione passiva: gas e farmaci secondo gradiente in base a

Coefficiente ripartizioneLiposolubilità

Passaggio regolato da:Legame farmaco - proteine

nel plasma maternonel plasma fetale

Velocità di eliminazione dal plasma materno

TOSSICITA’ FETALE DA FARMACI: superamento di barriera placentare e manifestazione di effetti tossici in funzione di sviluppo fetale e di processi farmacocinetici

ESCREZIONE

I farmaci, gli xenobiotici ed i loro metaboliti sono eliminati dall’organismo attraverso varie vie:

•Escrezione urinaria

•Escrezione fecale

•Escrezione polmonare

•Escrezione con le secrezioni

ESCREZIONE URINARIA

1. Filtrazione glomerulare2. Escrezione tubulare attiva3. Riassorbimento tubulare passivo

FILTRAZIONE GLOMERULARE

Circa il 20% del sangue che arriva al rene viene filtrato a livello glomerulare.Passaggio di farmaci e xenobiotici mediante meccanismi di:DIFFUSIONE PASSIVA

Capillari endotelio sono fenestrati con pori di ~ 40 Å ed il passaggio di sostanze idrofile con PM < 60.000

Condizioni per il passaggio: Farmaco in forma libera

Velocità: Concentrazione farmaco nel plasmaFlusso ematico renale

ESCREZIONE TUBULARE ATTIVA (tubulo prossimale)

Trasporto attivo mediato da carrierAnioni: acidi organici (penicillina, aspirina, metaboliti sulfo- o glicuro-coniugati)

sostanza endogena: acido uricoCationi: basi organiche (TEA, tiamina)

basi endogene: colina, istamina

CARATTERISTICHE:Sistemi di trasporto di carrier non selettivi•Saturabili•Soggetti a competizione (sostanze di simile carica possono competere per il

legame con il carrier)•Sistemi bidirezionali di trasporto:

Sostanze esogene (farmaci): SECRETISostanze endogene (Acido urico): trasporto bidirezionale

DIFFUSIONE PASSIVA (parte terminale tubulo prossimale)

Passaggio di farmaci e xenobiotici secondo gradiente in funzione di coefficiente ripartizione e liposolubilità: possibile riassorbimento dal lume verso il sangue

TUBULO DISTALE

Processi di diffusione passiva regolati dal pH urinariopH acidoAcidi deboli: gradiente favorevole alla diffusione dall’urina al plasmaBasi deboli: gradiente favorevole alla diffusione dal plasma all’urina

N.B. Possibilità di modificare l’escrezione urinaria di un farmaco modificando ilpH urinarioEs.: alcalinizzazione urina Aumento escrezione urinaria salicilati

CLEARANCE URINARIA (ml/min) : frazione di farmaco eliminato con l’urina nell’unità di tempocompresa tra 0-650

Clearance glomerulare: misurata in riferimento alla clearance di creatinina edinulina = 125

0 = completo riassorbimento tubulare~125 = filtrazione glomerulare< 125 = ultrafiltrazione + riassorbimento> 125 = ultrafiltrazione + escrezione

ELIMINAZIONE INTESTINALE

Sostanze non assorbiteMacromolecoleComposti ionizzati ad alto PM (polimeri o basi ammonio quaternari

Sostanze assorbite ed ESCREZIONE BILIARELa bile è la fonte più importante da cui provengono xenobiotici e metaboliti eliminati con le feci

MECCANISMI:

1) Captazione xenobiotico da parte dell’epatocita

2) ESCREZIONE BILIARE: Sistema di trasporto attivoAcidi organici (2)Basi organicheSostanze neutre

In base al rapporto [X] bile/ [X] plasmaCLASSE A: rapporto vicino all’unità (Na+, K+, glucosio, Hg, tallio, etc)CLASSE B*: rapporto tra 10 e 1000 (ac. biliari, bilirubina, alcuni farmaci)CLASSE C: rapporto inferiore all’unità (inulina, Zn, Fe, Cromo, etc) *Trasporto attivo e rapida escrezione biliare !

N.B. Tutti i sistemi che utilizzano carrier possono interessare gli xenobiotici legati alle proteine plasmatiche in base alla legge di azione di massa

Possibilità di riassorbimento a livello intestinale e formazione delCIRCOLO ENTEROEPATICO: Sostanze coniugate vengono idrolizzate da enzimi prodotti dalla flora batterica intestinale e riassorbite con prolungamento dell’attività farmacologica

ALTRE VIE DI ELIMINAZIONE

•Via polmonareGas e sostanze volatiliEliminazione influenzata da: Ventilazione

Flusso ematicoSolubilità plasmatica

•Via cutaneaImportanza modesta

Diffusione semplice attraverso cellule epiteliali ghiandoleFiltrazione (piccole molecole idrosolubili)

•LatteDiffusione semplice (molecole non ionizzate)Il pH 6.5 determina la presenza nel latte di molecole basicheSostanze liposolubili trattenute dai lipidi presenti nel latteN.B. Rischio tossicologico per neonato

•Sudore e saliva

METABOLISMO DEI FARMACI

METABOLISMO DEI FARMACI

I principali sistemi di eliminazione dei farmaci sono rappresentati dall’escrezione urinaria,

biliare e fecale; l’eliminazione attraverso queste vie viene favorita se la sostanza

possiede caratteristiche idrofile. E’ quindi necessario che l’organismo provveda ad una

trasformazione delle molecole lipofile in idrofile modificandone la struttura.

Questo processo di biotrasformazione dei farmaci, è detto

Reazioni chimiche finalizzate a trasformare le

sostanze estranee in composti più polari e più

idrosolubili, aumentandone l’escrezione.

METABOLISMO

Il metabolismo può modificare l’attività di un farmaco

BIOTRASFORMAZIONE DEI FARMACI

Metabolita inattivo(caso più frequente)

Farmaco attivo

Farmaco attivo Metabolita farmacologicamente attivo

CH3-CO-O

CH3-CO-O

idrolisi

eroina morfina

esempio

N-dealchilazione

3-idrossilazione e N-dealchilazione

esempio

BIOTRASFORMAZIONE DEI FARMACI

Metabolita privo di attività farmacologica ma dotati di attività tossica

Farmaco attivo

esempio

N-acetilparabenzochinoneimina

Fegato e tubuli renali

BIOTRASFORMAZIONE DEI FARMACI

Farmaco inattivo (profarmaco)

Metabolita attivo

decarbossilasi

esempio

(quinalapril, fosinopril, ramipril)

esterasiesempio

enalapril

(quinaprilato, fosinoprilato, ramiprilato)

enalaprilato

Siti di biotrasformazioneLa biotrasformazione avviene per VIA ENZIMATICA

I sistemi enzimatici sono localizzati principalmente nel fegato

Anche rene, tratto gastrointestinale, cute e polmoni possiedono una significativa capacità metabolica

Reazioni di fase IIReazioni di fase I

Le reazioni di biotrasformazione possono avvenire anche nei mitocondri o a livello della membrana nucleare o plasmatica

Reticolo endoplasmaticomicrosomi

citoplasma

All’interno della cellula la maggiore attività metabolica è localizzata

Le sostanze liposolubili (in grado di permeare più facilmente all’interno della cellula) sono più soggette a biotrasformazione

METABOLISMO O BIOTRASFORMAZIONE DEI FARMACILe biotrasformazioni dei farmaci sono reazioni di tipo enzimatico classificate in:

Dette anche reazioni di funzionalizzazione perché hanno la finalità di inserire o di mettere in evidenza nel substrato gruppi funzionali di legame (gruppo –OH, -SH, -NH2, -COOH) per le successive reazioni di coniugazione.

Reazioni di ossidazione, riduzione, idrolisi, idratazione, detioacetilazione, isomerizzazione

Attraverso le reazioni di fase I, l’attività del farmaco può essere aumentata, ridotta o annullata

Reazioni di fase I

Dette anche reazioni di coniugazione o di sintesi perché utilizzano i gruppi funzionali per coniugare il substrato con varie molecole endogene.

Reazioni di glicuronoconiugazione, di solfatazione, di metilazione, di acetilazione, di coniugazione con aminoacidi, di coniugazione con glutatione, di coniugazione con acidi grassi.

Attraverso le reazioni di fase II, la molecola assume le caratteristiche di idrosolubilità e di possibile ionizzazione al pH fisiologico dell’organismo utili per accelerarne l’eliminazione.

Reazioni di fase II

BIOTRASFORMAZIONI DI FASE I E DI FASE II

Reazioni enzimatiche di fase I

OSSIDAZIONI

Le reazioni di ossidazione sono catalizzate da ossidasi a funzione mista (sistema enzimatico citocromo P450 dipendente) localizzate a livello microsomiale nel fegato, rene, polmone e intestino

Provocano l’idrossilazione del substrato per diretta incorporazione di O2

Le reazioni di ossidazione riguardano classi molto estese di composti organici:

Alcoli, aldeidi acidi

Composti ciclici Composti ciclici idrossilati

Composti solforati Sulfossidi e sulfoni

Amine secondarie e terziare Aldeidi e amine primarie

esteri Composti dealchilati

Composti conteneti zolfo Sostituzione dello zolfo con ossigeno

Reazioni enzimatiche di fase IOSSIDAZIONI

Le reazioni di ossidazione richiedono la presenza di:

Ossigeno molecolare

NADPH

Sistema ossidasico rappresentato da due enzimi accoppiati, la NADPH citocromo P450reduttasi e il citocromo P450

La presenza dei fosfolipidi èfondamentale per permettere sia le reazioni fra i due enzimi sia l’arrivo del substrato a livello del sistema enzimatico

Flavoproteina (con spiccata affinità per il cofattore NADPH) capace di trasferire da uno a due elettroni al citocromo P450.

Emeproteina appartenente ad una super famiglia genica con un solo potenziale redox

CITOCROMO P450Il nome di citocromo P450 deriva dal fatto che il citocromo ridotto (Fe2+), legandosi con il

monossido di carbonio, ha un picco di assorbimento della luce alla lunghezza d’onda di 450nm.

La famiglia del gene P450 (CYP) si è differenziata (in miliardi di anni) garantendo il metabolismo di un numero sempre crescente di composti chimici ambientali, tossine alimentari, farmaci.

NomenclaturaNomenclatura deidei citocromicitocromi P450P450

esempioesempio: : CYPCYP22DD66 specifico isoenzima(specifico gene)

citocromo P450

sub-famiglia

famiglia

A seconda della somiglianza nella catena di aminoacidi gli isoenzimi sono raggruppati in famiglie e subfamiglie. Attualmente nell’uomo sono note

18 famiglie di CYP450, con 42 sottofamiglie e 57 geni codificanti.

Percentuale dei farmaci metabolizzati dagli enzimi appartenenti alla classe del citocromo P450

CYP3A4 (36%, secondo alcunestime potrebberosuperare il 50%)

CYP2E1

CYP1A2

CYP2D6 (19%)

CYP2C9

CYP2C19

CYP2A6CYP2B6

CICLO DELLA MONOSSIGENASI P450

L’inserimento degli elettroni fa passare l’ossigeno molecolare allo stato di ossigeno attivo (O2

-)

L’effetto netto complessivo delle reazioni coinvolte è il passaggio di un atomo di ossigeno

(proveniente dall’ossigeno molecolare) al farmaco con formazione di un gruppo

idrossilico (DOH) e la conversione dell’altro atomo di ossigeno in una molecola di acqua

ALTRE OSSIDASI A FUNZIONE MISTA NON DIPENDENTI DAL CITOCROMO P450

Esistono numerose altre ossidasi a funzione mista, localizzate prevalentemente nella frazione solubiledelle cellule del fegato, del rene e del polmone, che pur essendo principalmente coinvolte nel metabolismo di composti endogeni, possono ossidare alcuni farmaci.

Le principali sono:

● Alcoldeidrogenasi

● Aldeidodeidrogenasi

● Xantinaossidasi

Sono localizzate nei mitocondri; sono deputate al metabolismo delle catecolamine endogene e amine esogene (tiramina)

monoaminossidasi

● Aminossidasi

diaminossidasi Sono deputate alla metabolizzazione delle diamine endogene (istamina)

AMINOSSIDASI A FUNZIONE MISTA

Monossigenasi flavina dipendente (FMO) richiede NADPH come cofattore

E’ un enzima presente nel fegato e nei polmoni; non è indotto da sostanze esogene ma regolato da ormoni steroidei (testosterone e progesterone)

Permette la trasformazione di:

Amine secondarie idrossilamine

Idrazine Idrazine monosostituitePotenzialmente tossiche

Reazioni enzimatiche di fase IRIDUZIONI

A livello dei microsomi epatici sono presenti anche attività biotrasfoemative di tipo riduttivo.

Queste reazioni richiedono NADPH ma, diversamente da quello che accade per le ossidasi, vengono inibite dall’ossigeno. In tale processo di biotrasformazione, i substrati vengono possono accettare uno o entrambi gli elettroni che vengono trasferiti nella catena ossidoriduttiva del citocromo P450, ma non l’ossigeno.

Al processo riduttivo partecipano sia la NADPH citocromo P450 reduttasi sia il citocromo P450.

Cl

O2N CH CH

CH2OH

OH

NH C

O

CHCl

cloramfenicolo

I principali substrati sono i nitroderivati e gli azocomposti:

Cl

O2N CH CH

CH2OH

OH

NH C

O

CHCl

cloramfenicolo

H2N

Numerosi nitro composti vengono ridotti a derivati aminici, che a loro volta possono essere ossidati a metaboliti N-idrossilati con caratteristiche tossiche

Reazioni enzimatiche di fase IIDROLISI

Esterasi e amidasi

Catalizzano l’idrolisi degli esteri e delle amidi; oltre ad essere localizzati nel reticolo endoplasmatico di fegato, intestino e altri tessuti, sono presenti anche nel plasma.

ProcainaL’idrolisi delle amidi è generalmente una reazione più lenta rispetto all’idrolisi degli esteri Procainamide

Epossido idrolasi

Sono enzimi di detossificazione, idrolizzano gli ossidi ciclici reattivi prodotti dalle reazioni di ossidazione mediate dal citocromo P450.

Alcune sostanze possono essere attivate

Benzo[a]pirene 7,8 ossido diolo Epossido resistente all’epossido idrolasi (cancerogeno)

Proteasi e peptidasiDegradano proteine e peptidi; prevalentemente presenti nella secrezione dello stomaco

Reazioni enzimatiche di fase II

Sono delle reazioni di biosintesi per mezzo delle quali un composto estraneo o un metabolita derivatodalle reazioni di fase I si lega, di solito covalentemente, con una molecola endogena (cofattore)

mediante i gruppi funzionali –OH, -COOH, -NH2 e –SH, dando luogo ad un prodotto coniugato.

Tali reazioni richiedono energia che viene utilizzata per attivare i cofattori ad intermedi ad alta energia

Consumo di ATP

Ruolo del contenuto di ATP tissutale nella biodisponibilità dei cofattori

Le reazioni di fase II sono relativamente numerose e coinvolgono diversi enzimi.I substrati sono trasformati in prodotti coniugati inattivi più idrosolubili e piùionizzabili al pH fisiologico

Prodotti più facilmente eliminabili attraverso la bile e le urine

Reazioni enzimatiche di fase II

GLUCURONOCONIUGAZIONI

Le reazioni di glicuronoconiugazione sono le più importanti fra le reazioni di coniugazione per numerosità dei substrati e dei relativi gruppi funzionali sui quali agiscono e per la elevata disponibilità del cofattore coinvolto (l’acido uridindifosfoglicuronico)

Enzima localizzato nel reticolo endoplasmatico di numerosi tessuti (fegato, rene, intestino, cute, cervello, milza). Sono note 19 isoforme. 2 geni UTG1 e UTG2

O-glicuronidiS-glicuronidiN-glicuronidi

Circoloenteroepatico

Substrato per le β-glicuronidasiprodotte dalla flora batterica intestinale

Idrolisi

Farmacolibero

Lunga emivita

tossicità

Gli altri enzimi della fase II sono citosolici

ALTRE REAZIONI DI FASE II

Reazioni enzimatiche di fase II

SOLFATAZIONI

Importanti vie di coniugazione che trasferiscono il solfato inorganico ai gruppi idrossilici presenti su FENOLI, ALCOOLI dando luogo a dei solfati esterificati o a dei solfati eterei.

Il cofattore di queste reazioni è il PAPS:

Deriva dalla cisteina

La reazione di solfatazione richiede la presenza di solfotransferasi, enzimi solubili presenti nel citosol di alcuni organi quali fegato, rene, intestino, polmone.

Fenolo-, alcool- arilamino- solfotransferasi

Solfotranseferasi degli steroidi

Vari isoenzimi

Reazioni enzimatiche di fase IIMETILAZIONI

Sono reazioni indirizzate alla metabolizzazione di composti endogeni; tuttavia alcuni farmaci possono essere metilati da metiltransferasi non specifiche che si ritrovano nei polmoni e in altri tessuti.

Trasferimento di un CH3- all’O di alcooli, all’N di amine e allo S di tioli

Substrato Substrato

CH3

Metiltransferasi++

Le razioni di metilazione tendono a mascherare i gruppifunzionali dei substrati, diminuendone la idrosolubilità

Sono reazioni che non favoriscono la escrezione dei farmaci

Reazioni enzimatiche di fase II

ACETILAZIONIRappresentano la più importante via di biotrasformazione per le arilamine. Richiedono come cofattore l’acetil coenzima A.

N-acetiltransferasi

Acetil-CoA CoA-SH

N-acetiltransferasi

Acetil-CoA CoA-SH

NH2 NH-COCH3

isoniazide

NH-COCH3

Tali reazioni possono anche mascherare i gruppi funzionali e portare ad N-acetilderivati meno idrosolubili

Es. N-acetilderivati dei sulfamidici precipitano nei tubuli renali

Amine primarie aromatiche, idrazine, idrazidi, sulfonamidi, amine primarie alifatiche

N-acetiltransferasisubstrati

Enzima citosolico per cui è oggi noto

un polimorfismo genetico (acetilatori

rapidi/acetilatori lenti)

Reazioni enzimatiche di fase II

CONIUGAZIONE CON AMINOACIDI

Tali reazioni richiedono la presenza del CoA. A differenza di quanto accade per le altre coniugazioni, in questo caso è la stessa sostanza, e non il cofattore endogeno, ad essere attivato.

Gli acidi carbossilici esogeni possono formare dei derivati con il CoA e reagire con amine endogene per formare dei coniugati.

substrato CoASH

COOH CO-S-CoA

CO-aminoacidoCO-S-CoA

aminoacidi

Glicina, glutamina, ornitina, arginina,

taurina

CoA-ligasi ATP dipendente

N-aciltransferasi

Ambedue gli enzimi coinvolti sono presenti nella matrice dei mitocondriepatici e renali

+ substrato

substrato

1)

substrato2) +

Reazioni enzimatiche di fase II

CONIUGAZIONE CON GLUTATIONE

Il glutatione è un tripeptide formato da:

E’ considerato uno dei composti dell’organismo ad azione protettiva più importanti. Il gruppo sulfidrilico nucleofilo reagisce con composti elettrofili potenzialmente tossici (prodotti spesso dalle reazioni di fase I).

substrato substrato+ glutatione glutatione

I composti coniugati possono essere o escreti direttamente nelle urine e nella bile o subire ulteriori processi metabolici

Glutatione-S-transferasi

Epossidi, alo-alcani, nitro-alcani, alcheni, composti alo- e nitro-aromatici

Si conoscono 6 isoenzimi; sono localizzati sia nel citoplasma (attività fino a 40 volte superiore) sia nel reticolo endoplasmatico.Sono enzimi ubiquitari con massima attività nei testicoli, fegato, intestino, rene e surrene.

FATTORI CHE INFLUENZANO IL METABOLISMO DEI FARMACI

GeneticiAmbientaliDieteticiFarmacologiciPatologiciLegati all’etàLegati al sesso

Questi fattori sono importanti perchè determinano, insieme alle differenzefarmacodinamiche, le variazioni inter-individuali nella risposta ai farmaci in quanto influenzano:

• Efficienza e velocità delle reazioni metaboliche• Emivita dei farmaci• Azione e durata degli effetti farmacologici• Comparsa di effetti collaterali e tossici