Farmacologia 7: Recettori GPCR, agonisti e antagonisti nelle malattie umane

Recettori GPCR

Prof.ssa Sassone - data 10/03/2023- Autore: Chiara Perdicchi - Reviewer: Carla Balbi La professoressa tende a sottolineare che le slides non trattate non saranno argomento d'esame.

Breve conclusione della lezione scorsa

La scorsa volta abbiamo parlato di farmaci agonisti e antagonisti, e in particolare nel caso degli agonisti ne esistono tanti tipi: in particolare gli agonisti si dividono in due classi: gli agonisti pieni e gli agonisti parziali. Un agonista pieno si lega al recettore e lo accende alla sua massima possibilità, mentre quello parziale lo accende con un'efficacia minore. Proviamo ad immaginarci il nostro recettore come una lampadina: in presenza di un'agonista pieno la lampadina viene accesa al massimo della sua potenza, l'antagonista arriva sul recettore e non fa nulla, l'agonista parziale invece accende la lampadina con un'efficacia minore e infatti quest'ultima emetterà una luce minore.

in reality, the concept of partial agonist is more complex, the intrinsic activity is the value at which this molecule fixes the activity of the receptor. To understand this phenomenon we can compare the receptor to a light bulb In the presence of an agonist the receptor is turned on to the maximum The antagonist does not turn on the receptor When the partial agonist occupies the receptor, it sets its - - activity at a value lower than its maximum activity, a value that corresponds to the intrinsic activity for example, if intrinsic activity is 0.3 the receptor will function at 30% of its maximum activity ON OFF

Significato terapeutico degli agonisti parziali

Qual è allora il significato dal punto di vista terapeutico degli agonisti parziali? Facendo un esempio, la schizofrenia che ad oggi si controllano i sintomi utilizzando dei farmaci che vengono chiamati antipsicotici o neurolettici, e che sono degli antagonisti del recettore 2 della dopamina bloccandone la trasmissione dopaminergica.

Esiste una farmaco (aripiprazolo) che è un antipsicotico di terza generazione somministrato ai pazienti affetti da schizofrenia, che è un agonista parziale che è in grado di accendere il recettore con una capacità pari al 25% rispetto al 100% che farebbe un agonista pieno, in questo contesto viene definito uno "stabilizzatore dell'attività dopaminergica", poiché lui non spegne l'attività dopaminergica (anche perché se lo facesse creerebbe delle problematiche), ma va a fissarla al 25%. Quindi gli agonisti parziali sono tutt'altro che molecole inutili.

Agonisti parziali e recettore degli oppioidi

Un altro esempio sugli agonisti parziali è il recettore degli oppioidi, del quale abbiamo già parlato dicendo che se lo leghiamo al suo target, riusciamo a diminuire il dolore, a tal proposito la meperidina è un agonista pieno del recettore degli oppioidi, quindi un farmaco utilizzato nel dolore grave, mentre la pentazocina è un agonista parziale del recettore degli oppioidi. Cosa vuol dire?Vuol dire che il grado di analgesia che possiamo ottenere con la pentazocina è più bassa di quella che potremmo ottenere con la meperidina.

Curva dose-effetto degli agonisti

Quindi come si configurano questi due farmaci dal punto di vista della curva dose-effetto? Se un agonista pieno si comporta come riportato qui, nella curva nera o nella curva verde (differiscono solo per la potenza), un agonista parziale si comporta con la curva rossa o con la curva P, e l'efficacia è diversa mentre la potenza potrebbe differire o essere uguale, a seconda della tipologia di agonista, ma quello che è certo è che l'efficacia dell'agonista parziale sarà minore rispetto a quella dell'agonista pieno.

100- T · a = 0,6 4 a = 0,3 80 - Increasing efficacy 60- % effect 40 - 20- 04 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 Agonist, M

Attività intrinseca e agonisti parziali

Basandoci sul ruolo degli agonisti parziali, è stato allora coniato il termine attività intrinseca, ed è la misura di quanto il farmaco riesce ad agire sul recettore; pertanto diremo che l'agonista pieno ha un'attività intrinseca pari a 1 (arriva sul recettore e lo attiva), mentre quello parziale ha un'attività intrinseca che va da 0 a 1 (ovvero attiva il recettore con varie percentuali di potenza). Prima abbiamo fatto l'esempio dell'aripiprazolo come stabilizzatore del sistema dopaminergico, cosa vuol dire? Gli agonisti parziali hanno un'attività dualistica: possono comportarsi da agonisti, ma in determinate condizioni si comportano come degli antagonisti funzionali.

Immaginiamo di somministrare un agonista pieno, ad esempio la mepiridina per la quale faremo una curva dose- effetto nella quale viene rappresentata in nero; se io prendo poca mepiridina, magari una piccola percentuale dei miei recettori sarà occupata, ad esempio un ipotetico 20%. Se insieme a basse dosi di meperidina prendo un po' di pentazocina, avrò il 20% dei recettori occupati dalla meperidina e un po' di altri recettori, magari di nuovo il 20%, occupati dalla pentazocina, l'effetto analgesico sarà additivo, nonostante quello della meperidina sia più forte.

Agonista pieno 100- Agonista pieno Infatti nel grafico a destra abbiamo una curva dose- effetto nella quale l'agonista pieno è rappresentato da solo senza l'aggiunta di nessun agonista parziale 75- Agonista parziale A (curva nera), e nello stesso grafico avremo un'altra curva in cui abbiamo aggiunto all'agonista totale 50- Agonista parziale B quantità crescenti di agonista parziale (curva verde). 25 · AgonistaB AgonistaA Nella zona bassa della curva della quantità di % Effetto agonista totale osserviamo un'effetto più alto, perché AgonistaC 0- AgonistaD io sto prendendo un po' di agonista parziale e un po' 1E-7 di agonista totale e la loro attività si somma. Agonista [Log M] 1E-11 1E-10 1E-9 1E-8 1E-6

Agonista parziale come antagonista funzionale

Ma se io prendo una grossa quantità di agonista totale (meperidina) e vado ad occupare tutti i recettori del nostro organismo (voglio un effetto potente), e poi decido di prendere un po' di agonista parziale (pentazocina), siccome entrambi gli agonisti si legano in modo reversibile, a seconda delle dosi in cui le prendo, l'agonista parziale potrebbe scalzare quello totale dal recettore, ma abbiamo detto che l'agonista parziale ha un effetto più basso di quello totale e se lo sostituisce nel legare il recettore è come se stesse abbassando l'attività del farmaco, agendo quindi da antagonista funzionale.

GROSSA QUANTITÀ' DI AGONISTA TOTALE AGONISTA PARZIALE ANTAGONISTA FUNZIONALE OCCUPA TUTTI I REC. SI LEGANO ENTRAMBI REVERSIBILMENTE AGONISTA PARZ. PUOI SPIAZZARE AGONISTA TOT -S ATTIVITÀ' FARMACO

Agonisti inversi

Esistono anche degli agonisti inversi. Che cosa sono? Abbiamo detto che il recettore da solo non fa nulla e così nemmeno il farmaco, ma loro due insieme formano un complesso che porta poi l'effetto finale. Noi oggi sappiamo che esistono alcuni recettori che da soli possono passare da una conformazione R inattiva, ad una R attiva.

Studiando i recettori GPCR, è stato visto che ci sono delle mutazioni nell'uomo di origine sporadica o costitutiva, che portano ad avere dei recettori costitutivamente attivi, anche in assenza di ligando e tutto questo è associato a delle patologie.

A tal proposito, un esempio è quello sul recettore per l'ormone tiroideo TSH (ormone tireotropo o tireostimolante) che una volta mutato, può diventare permanentemente attivo causando ipertiroidismo e carcinomi tiroidei.

Si è visto in realtà che non sono solo i recettori mutati a rimanere costitutivamente attivi, ma anche i recettori WT a volte hanno una piccola percentuale della curva in forma attiva, che è dovuto ad un cambiamento conformazionale. Ci sono delle molecole, chiamate agonisti inversi, che sono capaci di legare in maniera specifica R (non attiva) dei recettori, così facendo loro sottraggono R dall'equilibrio, riuscendo a spingere questo equilibrio a sinistra e quindi a spingere quei recettori che sono nella forma attiva, a ritornare nella forma inattiva; questi sono gli agonisti inversi e li distinguiamo dagli antagonisti perché i primi sono in grado di spegnere un recettore se è costitutivamente attivo, mentre i secondi sriegano ma non fanno nulla.

Questa teoria circa gli agonisti inversi, ci spiega che l'agonista inverso ha un'affinità selettiva per R del quale sposta l'equilibrio, gli agonisti pieni o parziali invece hanno una maggiore affinità per R*, in questa maniera lo legano, lo sottraggono dall'equilibrio e spingono il recettore a rimanere nella forma R *.

Parlando di attività intrinseca, il valore di un agonista inverso è tra 0 e -1 (anche se alcuni possono scendere fino a -2 o -4).

Curve dose-effetto degli agonisti inversi

Dal punto di vista delle curve dose-effetto, osserviamo in giallo l'agonista pieno, quello parziale in verde e quello inverso (bipotenziale) in azzurro.

Inverse Agonist 100 80 - Full agonist % Effect 60 40 20 Partial agonist 0 -20 Inverse agonist -40 Dose

Distinzione tra antagonista funzionale e agonista inverso

In vitro antagonista funzionale e agonista inverso sono distinguibili: immaginiamo di avere un preparato che esprime il recettore WT del TSH e un altro ce esprime i recettori mutati, una volta somministrato il farmaco ci accorgiamo che l'antagonista non spegne l'attività del recettore TSH mutato mentre l'agonista inverso sì. Quindi ricapitolando, l'agonista inverso non trasforma R* mutato in R, ma semplicemente sposta il suo equilibrio inattivandolo.

Riepilogo: Agonisti e antagonisti

• Agonist: a drug that, by binding a receptor, generates a response.
• Remember the caracteristics of partial agonists and inverse agonist
• Antagonist: a drug that, by binding a receptor, does not generate a response but inhibits the effects of an agonist.
• Different types of antagonists: competitive (surmountable), non competitive (insurmountable) and allosteric.

(a) Endocrine signaling Blood vessel Hormone secretion into blood by endocrine gland Distant target cells (b) Paracrine signaling Secretory cell Adjacent target cell (c) Autocrine signaling Key: · Extracellular signal Receptor " Membrane-attached signal Target sites on same cell (d) Signaling by plasma membrane-attached proteins Signaling cell Adjacent target cell

I recettori GPCR agiscono secondo tutte queste modalità di comunicazione. Che cosa succede nel momento in cui il ligando rilasciato si lega al recettore? Ci saranno una serie di step molecolari che a livello intracellulare saranno target di farmaci. L'attivazione dei recettori porta a molti cambiamenti che dipendono anche dal tipo di cellula che stiamo considerando, inoltre alcuni di questi cambiamenti possono essere anche a livello transgenico.

Classificazione dei recettori

Parlando di recettori in generale, una classificazione sensata è quella dei recettori localizzati sulla membrana e quelli localizzati all'interno della cellula.

Tipologie di comunicazione cellulare

Finora abbiamo parlato dei recettori ma in senso lato, infatti bisogna sapere che ne esistono molte tipologie. I recettori sono fondamentali per la comunicazione tra le cellule e i vari organi del nostro organismo; che tipo di comunicazioni esistono?

• Endocrina, con sostanze che viaggiano nel sangue dopo essere state rilasciate da un tessuto e che poi agiscono su recettori localizzati anche su organi distanti.
• Paracrina, per cui cellule che rilasciano un ormone, un fattore di crescita o un'altra sostanza, questi poi vengono captati da una cellula adiacente a quella che li aveva rilasciati.
• Autocrina, ci sono cellule che rilasciano dei granuli che agiscono sui recettori della cellula stessa, questo rappresenta un meccanismo non banale per la trasmissione sinaptica.
• Sistemi di signalling che consistono nella comunicazione cellule-cellula perché il ligando rimane attaccato alla cellula e deve interagire con un recettore presente su un'altra cellula.

1 2 Signaling cell 3 9 Inactive cell-surface receptor 4 Active cell-surface receptor 5 Responding cell 8 Signal transduction proteins and second messengers 6 Modification of cellular metabolism, function, movement 7a Effector protein U 7b Nucleus Modification of gene expression, development

GPCR o recettori a 7 domini transmembrana