Paso de Fármacos a Través de Membranas Biológicas

Paso de Fármacos a través de Membranas Biológicas Dr. Witre Omar Padilla

Objetivos 1.

Describir Describir los los mecanismos mecanismos de de transferenc transferencia ia de fármacos fármacos a través través de las membra membranas nas celulares.

2.

Describir Describir las propieda propiedades des fisicoquím fisicoquímicas icas de los los fármacos fármacos que influenci influencian an su paso a través través de las membranas.

3.

Aplicar Aplicar la ecuación ecuación de Henderso Henderson-Hass n-Hasselbac elbac para para predecir predecir el paso paso ! la distribució distribución n de un fármaco entre dos compartimientos bioló"icos.

#.

$nferir $nferir la importancia importancia farmacoló"ic farmacoló"ica a del del atrapami atrapamiento ento iónico. iónico.

Reto En su investigación el e!ui"o de trabajo se "ro"one desarrollar un medicamento anti#i"ertensivo en tableta !ue act$e en el sistema nervio central. %&ué central. %&ué caracter'sticas (isio!u'micas debe "oseer el (ármaco si sa bemos !ue los (ármacos no crean "roceso ni (unciones nuevas sólo utili)an los *a e+istentes en el organismo, -ntroducción %a sabemos que los medicamentos son las formas como se administran los fármacos en los animales ! umanos con fines preventivos o curativos. Aora bien& para que un fármaco lo"re lle"ar desde el sitio o vía de administración asta el lu"ar en el que va a e'ercer su efecto& tiene que atravesar con é(ito las distintas barreras que normalmente posee el or"anismo. )or e'emplo& si una tableta de *++ mili"ramos de ácido acetilsalicílico ,aspirina es in"erida por un individuo p ara aliviar una cefalea& las moléculas de este fármaco tienen que pasar primero desde el espacio del estóma"o o intestino acia la san"re& lue"o ésta la transporta asta los límites con el cerebro !&finalmente& lle"a al te'ido ! células cerebrales donde van a actuar. sas tres barreras que debe atravesar éste fármaco son las constituidas por las paredes del estóma"o o intestino& las paredes de los capilares que rie"an a esos ór"anos ! la emato-cerebral. n este tema revisamos los mecanismos utili/ados para la transferencia o paso de los fármacos por las diferentes barreras bioló"icas. as Membranas Biológicas como Barreras "ara la /rans(erencia de Fármacos 0i bien en su despla/amiento de un espacio a otro& un fármaco puede tener como barrera una o varias capas de células& es evidente que para penetrarlas puede acerlo pasando por los espacios creados entre una ! otra 0"aracelular1 0"aracelular1 o  o atravesando su membrana plasmática 0transcelular1 0transcelular1 ésta se"unda opción es el mecanismo más comn. 0abemos que la estructura básica de la membrana plasmática está formada por una bicapa de lípidos anfipáticos& con sus cadenas de f osfolípidos orientadas espontáneamente de forma perpendicular al plano de la membrana& d e'ando los "rupos polares acia fuera ! las cadenas idrófobas de ácidos "rasos acia dentro.

as moléculas de lípidos individuales en la doble capa varían de acuerdo con la membrana en particular ! se pueden mover en s entido lateral& ! así dar a la membrana propiedades como fluide/&

fle(ibilidad& "ran resistencia eléctrica e impermeabilidad relativa a moléculas fuertemente polares. as proteínas de la membrana que están dentro de la bicapa sirven como receptores& canales de iones o transportadores para estimular vías de se4ales eléctricas o químicas& ! constituir blancos selectivos para la acción de fármacos. ntonces& la composición de la membrana c elular es determinante en el proceso de transferencia de fármacos acia uno u otro lado. Así los lípidos son los responsables principales del paso de fármacos& pero las proteínas& que intervienen en la ma!oría de las funciones de la membrana& desempe4an un importante papel en los procesos farmacocinéticas ! farmacodinámicos& como veremos en este ! otros temas. 5omo sabemos& casi todas las membranas celulares son relativamente permeables al a"ua& sea por  difusión o por el flu'o resultante d e diferencias idrostáticas u osmóticas a través de la membrana& ! el a"ua que se intercambia arrastra consi"o moléculas de fármacos. Este ti"o de trans"orte ,transca"ilar &transcelular  constitu!e el principal mecanismo por el cual los fármacos libres ,no unidos a proteínas u o tros li"andos ! no polares pasan a través de casi todas las membranas del endotelio vascular. l transporte a través de los espacios intercelulares0"aracelular  constitu!e un factor importante de la filtración en las membranas "lomerulares del ri4ón. n te'idos específicos como en los capilares del sistema nervioso central ! otros epiteliales e(isten uniones intercelulares oclusivas& ! como consecuencia es mu! limitado el transporte paracelular de fármacos. l a"ua que se intercambia arrastra consi"o sustancias idrosolubles de peque4o tama4o& pero si la masa molecular de dicos compuestos e(cede de 1++ a 2++ daltons& dico transporte queda frenado. 0obre tal base& casi todos los fármacos lipófilos de "ran peso molecular deben pasar por la propia membrana celular& por uno o más mecanismos que allí e(isten. Mecanimos de /rans(erencia de Fármacos "or la Membrana os fármacos cru/an las membranas por medio de procesos pasivos o por mecanismos en los que intervienen de manera activa los componentes de ella. 2.3 /rans"orte "asivo. as moléculas de fármacos por lo "eneral penetran por difusión pasiva a favor de un "radiente de concentración "racias a su solubilidad en la bicapa lipídica. sta transferencia es directamente proporcional a la ma"nitud del "radiente de concentración a uno ! otro lado de la membrana& el coeficiente de partición o de reparto lípido6 a"ua& propio del fármaco& ! el área de la superficie celular. Esta di(usión "asiva es el mecanismo de trans"orte más com$n. a ma!oría de los fármacos tienen un tama4o peque4o o mediano ,menos de *++-7*+ daltons que permiten su paso a través de las membranas por difusión pasiva a favor de un "radiente de concentración cuando no están ioni/ados . a velocidad de esta transferencia& se"n lale* de Fic4& será tanto ma!or cuanto ma!or sea el "radiente de concentración& menor sea el tama4o de la molécula ! ma!or sea su liposolubilidad. A su ve/ la liposolubilidad depende del "rado de ioni/ación6 la forma ioni/ada no difunde a través de la membrana& mientras que la forma no ioni/ada difundirá asta que se equilibre la concentración a ambos lados de ella. s oportuno resaltar que la ma!oría de los fármacos son electrólitos débiles ,ácidos o bases& por tanto en solución están más o menos ioni/ados dependiendo de su p8a& es decir& del lo"aritmo ne"ativo de la constante de ioni/ación de un ácido ,e(presa el pH en el cual la mitad del fármaco se alla en su forma ioni/ada ! del pH del medio se"n la fórmula de Henderson-Hasselbalc6 "5 9 "6a 7 log 0base 8 ácido1 )ara un fármaco electrolito ácido débil& será6 "5 9 "6a 7 log 0ioni)ado 8 no ioni)ado1 :ientras que para otro fármaco electrolito base débil& será6

"5 9 "6a 7 log 0no ioni)ado 8 ioni)ado1 a forma no ioni)ada ,neutra difundirá libremente asta que se equilibre a ambos lados de la membrana& mientras que la formaioni)ada por presentar "rupos idrofílicos ,polares& no pasará. 5onviene recordar que un fármaco ácido d ébil es una molécula neutra que puede disociarse de manera reversible en un anión0una molécula con carga negativa1 ! un protón 0un ión #idrógeno1 "or ejem"lo& el ácido acetilsalicílico se disocia como si"ue6 9:5;O<9OO5 3333333339:5;O<9OO37 57  Aspirina neutraaspirina aniónprotón ;n fármaco& que es una base débil& puede definirse como una molécula neutra capa/ de formar un catión ,una molécula con car"a positiva al combinarse con un protón. )or e'emplo& la pirimetamina& un antipaldico& sufre el si"uiente proceso de asociación-disociación6 92<5229l=>=5>7 3333333333333333333 92<5229l=>=5<757 5atión pirimetaminapirimetamina neutraprotón.  Así "or ejem"lo si un fármaco es ácido débil con un "6a de ??sus cantidades ioni/adas ! no ioni/adas en el estóma"o 0"5 de 2?1 son las si"uientes6 2? @ ?? 7 log 0ioni)ado 8 no ioni)ado1 3 > @ log 0ioni)ado 8 no ioni)ado1A obteniendo el antilo"aritmo& nos queda6 282 @ ioni)ado 8 no ioni)ado. sto si"nifica que de ese fármaco p or cada parte ioni/ada& e(istirán 1+++ partes no ioni/adas en el estóma"o& por lo tanto si es liposoluble se encuentra disponible para atravesar la membrana celular del estóma"o ! pasar a la san"re. ;na ve/ en la san"re 0"5 de ;?1 que es otro espacio& el fármaco se puede ioni/ar. Aquí la fórmula de 5enderson35asselbalc#predice lo si"uiente6 ;? @ ?? 7 log 0ioni)ado1 8 0no ioni)ado1 > @ log 0ioni)ado1 8 0no ioni)ado1 282 @ ioni)ado 8 no ioni)ado
Fig. <. -n(luencia del "5 en la distribución de un ácido débil entre el "lasma * el jugo gástrico se"arados "or una barrera de l'"idos. 0obre tal base& en el estado estable un fármaco ácido& como es el caso anali/ado aquí& se acumulará en el lado más alcalino de la membrana& ! un fármaco alcalino lo ará en el lado más ácido& principio que se llama retención de iones o atrapamiento iónico. ste principio tiene consecuencias obvias en los procesos de absorción ! e(creción de fármacos& como veremos en esos temas. <.3 /rans"orte mediante "rote'nas de la membrana. 0e reali/a a través de proteínas de la membrana ! tiene las si"uientes características6 21 la velocidad de paso es& en "eneral& más rápida que la difusión pasiva <1 es específico para un tipo de soluto >1es saturable con una cinética tipo :icaelis-:enten ?1 puede aber diferencias de paso en una ! otra dirección de la membranaC1 puede ser inibido competitivamente por otros sustratos ! no competitivamente por inibidores 1 puede ser re"ulado por el estado de fosforilación& inducción o represión de la proteína transportadora o de su "en& ! ;1 depende de la capacidad de cada te'ido de e(presar la proteína. ste tipo de transporte comprende los si"uientes procesos6 <.2. in gasto de energ'a. 0e reali/a a favor de un "radiente de concentración e inclu!e la difusión facilitada ! el transporte mediante un transportador sin "asto de ener"ía& que se diferencian en la especificidad. a di(usión (acilitada se reali/a a través de una proteína que forma un canal no selectivo& !a que sólo depende del diámetro del poro ! tama4o de la molécula. El "aso mediante un trans"ortador  se reali/a a través de una proteína que reconoce determinadas moléculas& como son los aminoácidos básicos ! dipéptidos& por lo que es un paso más selectivo que la difusión facilitada. 0e an identificado tres tipos de transportadores6 el deunitrans"ortador  transfiere una sola molécula en un determinado tiempo a favor de su "radiente el cotrans"ortador  ! elantitrans"ortador catali/an el movimiento de un tipo de ión o molécula contra un "radiente de concentración& en acoplamiento con el movimiento de otro ión o molécula que se despla/a a favor de su "radiente de concentración& es de cir& acoplan una reacción ener"éticamente desfavorable con otra ener"éticamente favorable& sin recurrir a la utili/ación del A=). 0i la dirección en que se transfieren las moléculas o iones es la misma& se abla decotrans"ortador & ! si cada uno va en dirección contraria& se abla de antitrans"ortador .

Fig. >. Prote'nas de membrana !ue intervienen en el trans"orte iónico.

os gradientes están sealados en (orma de triángulosG la "unta indica el es"acio con concentración o "otencial eléctrico más bajo. <.<.3 9on gasto de energ'a o trans"orte activo. )ermite el transporte de los fármacos contra un "radiente electroquímico. >equiere consumo de ener"ía procedente del metabolismo celular& por lo que está íntimamente acoplado a una fuente de ener"ía& como la idrólisis del A=). )uede ser inibido por mecanismos o sustancias que interf ieren la producción de ener"ía ,cambios de temperatura& atmósfera anaeróbica o inibidores metabólicos como el cianuro& por sustancias que interfieran las proteínas transportadoras ,la ouabaina inibe la A=)asa de la bomba de ?a@8@ ! por la carencia de sustancias necesarias para la síntesis o funcionamiento de las proteínas transportadoras. l transporte activo de la molécula puede ser primario o secundario al transporte primario de otra molécula.

5on frecuencia& el transporte de fármacos se asocia al de iones como H@ o ?a@ que pueden ser transportados en la misma dirección ,cotransporte o en dirección contraria ,antitransporte. ste tipo de transporte activo de fármacos se a observado en el tbulo pro(imal renal& el tubo di"estivo& el

tracto biliar& el paso del líquido cefalorraquídeo a la san"re ! el paso de la san"re a la saliva& así como en las bacterias ,por e'emplo& amino" lucósidos& o cicloserina. >.3 Otros sistemas de trans"orte. a filtración a través de endiduras intercelulares se observa en la pared de al"unos capilares san"uíneos& donde los fármacos pasan del intersticio a los capilares& de los capilares al intersticio o de los capilares al tbulo pro(imal renal a través de endiduras e(istentes entre las células. a velocidad de filtración depende del tama4o de las endiduras ! de las partículas ,por ello no pasan fármacos unidos a proteínas& del "radiente de concentración ! de las presiones idrostáticas& en la parte arterial del capilar& ! coloidosmótica& en su parte venosa. as macromoléculas se transportan mediante e+ocitosis oendocitosis. n la e+ocitosis las vesículas intracelulares se fusionan con la membrana e(pulsando su contenido al e(terior. n la endocitosis se forma una inva"inación& peque4a en la"inocitosis ! "rande en la (agocitosis& que en"loba las macromoléculas del e(terior de la membrana estas inva"inaciones se rompen en el interior de la célula& formando vesículas que contienen las macromoléculas. $nicialmente se consideró a la endocitosis co mo un mecanismo inespecífico ! no saturable& pero en la actualidad se considera que es c on frecuencia específico e intrínseco al mecanismo de acción de las macromoléculas. )or e'emplo& la nefroto(icidad de los amino"lucósidos se atribu!e a que& una ve/ filtrados& se fi'an a receptores que los incorporan a las vacuolas que los introducen en las células del tbulo pro(imal. a endocitosis se utili/a para acer lle"a r a su lu"ar de acción profármacos& productos de biotecnolo"ía& ormonas peptídicas ! citoquinas& como insulina& ormona del crecimiento& eritropo!etina e interleuquinas. n latransitosis& por e'emplo a través de la barrera ematocerebral& el fármaco es reconocido ! captado de la san"re en un lado de la célula endotelial ! liberado al sistema nervioso central en el otro lado de la célula. os ionó(oros son peque4as moléculas sinteti/adas por los microor"anismos& que se disuelven en la capa lipídica de la membrana aume ntando su permeabilidad. )ueden ser transportadores móviles de iones ! formadores de canal. )or e'emplo& la valinomicina ! el A231BC son transportadores móviles que aumentan la permeabilidad de la membrana al 8@ ! al 5a 2@& respectivamente& mientras que la "ramicidina A es un ionóforo formador de canal que facilita el paso de diversos cationes. os li"osomas se utili/an también para favorecer el acceso de fármacos a diversas c élulas. os li"osomas son estructuras sintéticas formadas por una o más bicapas concéntricas de fosfolípidos que acomodan en su interior f ármacos idrosolubles o liposolubles ! macromoléculas ,como en/imas& ormonas& antí"enos& material "enético ! otros a"entes& que de esta forma consi"uen acceder a células con capacidad de atrapar estos liposomas. ?.3 Prote'nas trans"ortadoras en las membranas celulares.as proteínas demembranas implicadas en el transporte de sustancias endó"enas ! e(ó"enas an adquirido particular importancia en el análisis de los procesos farmacocinéticos conforme se a ido conociendo su papel en los procesos de absorción& distribución ! e(creción ,renal ! e(trarrenal de los fármacos. 0u presencia es responsable de que los fármacos puedan trasladarse de un medio a otro de acuerdo con su dirección de transporte& de modo que en ocasiones el fármaco penetra en las células mientras que en otras es e(pulsado de ésta. 5omo proteínas que son& su concentración se ve re"ulada& por una parte por la dotación "énica del individuo& que condiciona la concentración basal de proteínas transportadoras que dico individuo p osee !& por otra& por la posibilidad de que su síntesis pueda ser favorecida por otros fármacos o a"entes inductores o de que su función pueda verse entorpecida por la presencia de sustratos que compitan o iniban el mecanismo. Desde un punto de vista farmacoló"ico& c onviene destacar la importancia de dos superfamilias de transportadores de membrana6 a1 la superfamilia A5 de transportadoresactivos primarios& ! b1 la superfamilia de facilitadotes ma!ores ,:E o transportadores activos secundarios ! terciarios. a ma!oría de los miembros de la superfamilia A