2 Paso de fármacos a través de las barreras biológicas

La estructura compleja de un organismo superior como el humano lo convierte en un sistema heterogé­neo con una serie de barreras biológicas que un fármaco debefranquear para llegar a su sitio activo. Se describe la naturaleza y constitución de estas barreras, así como los mecanismos mediante los cuales los fármacos son capaces de atravesarlas. Se mencionan además las características fisicoquímicas de los fármacos que determinan la facilidad con la que este proceso se lleva a cabo.

Para que u n fá rmaco produzca una respuesta determinada es indispensable que se encuentre precisamente en su sitio de ac­c ión , es decir, en contacto con el sistema biológico específico cu­ya función va a modificar. Puesto que para la m a y o r í a de los fá rmacos su sitio de acc ión se encuentra alejado del lugar en el que se depositan al administrarse, deben recorrer u n camino m á s o menos largo dentro del organismo antes de producir su B A R R E R A S efecto. Por otro lado, el organismo no es un sistema h o m o g é - B I O L Ó G I C A S neo, sino que es tá constituido de diversas partes o fases separa­das unas de otras por barreras que dificultan el l ibre paso del f á rmaco a t r avés de las fases. Y a sea que estas barreras es tén formadas por u n tejido, como la pared de un vaso capilar o del intestino, o bien por una sola célula, el elemento fundamental que las constituye es la membrana celular.

El proceso de translocación de u n f á r m a c o , es decir, su paso por las barreras biológi­cas, depende por u n lado de las caracter ís t icas de la membrana celular y , por otro, de las propiedades fisicoquímicas del f á rmaco que la debe atravesar. Ambos factores de­terminan el o los mecanismos específicos mediante los cuales se lleva a cabo este proce­so. Tales factores o mecanismos se a n a l i z a r á n en este cap í tu lo .

Estructura de la membrana celular

U n a de las funciones de la membrana celular es la de conservar las carac ter ís t icas del medio interno de la célula , lo cual logra gra­cias a sus propiedades de permeabilidad selectiva y a su capaci­dad para transportar iones o elementos nutr i t ivos. Estas pro­piedades influyen t a m b i é n sobre el paso de fá rmacos del l íqu ido extracelular al inter ior de la célula . L a compos ic ión q u í m i c a y la disposic ión de los diversos constituyentes de la membrana son semejantes en las diferentes células . Los componentes p r i n ­cipales son p ro t e ína s y l íp idos . Estos ú l t imos son fundamental­mente fosfolípidos, entre los que se intercalan algunas molécu las de colesterol. Los fosfolípidos se hayan dispuestos en una doble capa que constituye la matriz de la membrana; puesto que esta estructura del imita dos fases acuosas, los medios in t ra y extrace­lular , las molécu las de l ípido se orientan de tal manera que sus

D I S P O S I C I Ó N D E L O S F O S F O L Í P I D O S Y

PROTEÍNAS M E M B R A N A L E S

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porciones hidrofíl icas quedan en contacto con las fases acuosas, mientras que sus cadenas hidrofóbicas permanecen en el espe­sor de la membrana (Fig: 2.1). Los fosfolípidos membranales contienen ácidos grasos saturados e insaturados. Estos ú l t imos impiden que las cadenas hidrofóbicas se dispongan en forma to­talmente ordenada y que la membrana adquiera una estructura r íg ida . L a falta de rigidez confiere a la membrana cierto grado de permeabilidad que permite el paso de diversos elementos, entre ellos fá rmacos .

Las proteínas de la membrana se encuentran formando una monocapa que recubre las superficies interna y externa de la matriz l íp ida . Es t án dispuestas parcialmente en for­ma helicoidal, y al igual que los fosfolípidos, sus porciones hidrofíl icas se orientan hacia la superficie, mientras que las h idrofóbicas lo hacen hacia el espesor de la membrana. Algunas cadenas de p ro t e ína se introducen en la membrana y llegan a atravesarla en su totalidad. L a superficie externa de la membrana contiene a d e m á s glicolípidos y g l i -cop ro t e ína s que orientan sus segmentos hidrofíl icos e hidrofóbicos como lo hacen los d e m á s elementos membranales. Estos componentes confieren una carga eléctr ica nega­t iva a la superficie celular y pueden fijar diversos cationes y controlar su flujo a t r avés de la membrana en ambas direcciones. A d e m á s , son responsables de las propiedades an t igén icas de la superficie celular, poseen diversos grupos enz imát icos y forman parte de los receptores a fá rmacos y a sustancias q u í m i c a s e n d ó g e n a s .

LADO E X T E R N O ^ G

LADO INTERNO

Fig. 2.1. Diagrama de la membrana celular. Se muestra la bicapa de lípidos (BL) recubierta en sus super­ficies interna y externa por monocapas de proteína (MP). En la superficie externa existen además glico­lípidos y glicoproteínas (G) que se incrustan en la matriz lipoidea y en su cubierta proteica. Las porciones hidrofílicas de los diversos elementos membranales están representadas en negro.

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D i f u s i ó n pasiva

Este mecanismo de t rans locac ión es el uti l izado con m á s fre­cuencia por los f á rmacos . En este proceso, el compuesto debe disolverse en la matr iz lipoidea de la membrana para movil izar­se de una fase a otra. Debido a esto, la difusión o c u r r i r á con m á s facilidad entre mayor sea la liposolubilidad de la sustancia y , por el contrario, se dif icul tará a mayor hidrosolubilidad. Las ca- I M P O R T A N C I A D E L A racter ís t icas de solubilidad de un compuesto dependen de su L I P O E contenido en grupos qu ímicos polares y no polares; entre mayor H I D R O S O L U B I L I D A D sea el n ú m e r o de estos ú l t imos , aumenta la l iposolubilidad y disminuye la hidrosolubil idad. El grado de lipo o hidrosolubil i ­dad se determina midiendo Ja d i s t r ibuc ión del compuesto en una mezcla de agua y u n l ípido o un solvente de l íp idos . L a re­lac ión entre la cantidad disuelta en la fase l íp ida y en la acuosa se denomina coeficiente de partición lípido/agua.

En el caso de* u n compuesto altamente liposoluble, la velocidad con la que ocurre la difusión depende en gran parte del gradiente de concentración, es decir, de la diferencia que existe entre la concen t r ac ión de la sustancia fuera y dentro de la membrana. En estas condiciones, la difusión obedece la ley de Fick, que especifica que la cantidad de sus tancia que pasa a t ravés de una interfase por unidad de t iempo está en relación con el á r e a de la interfase, el gradiente de concen t r ac ión y la constante de permeabilidad del sistema:

Cant idad de sustancia / T iempo = Constante de permeabilidad x á r e a x gradiente

I M P O R T A N C I A D E L GRADO D E

I O N I Z A C I Ó N

L a m a y o r í a de los fá rmacos son compuestos o rgán icos que se comportan como electrolitos débi les , es decir, que se ionizan só­lo parcialmente.Las moléculas ionizadas son m á s solubles en agua que en las grasas, y lo contrario ocurre con las no ioniza­das. Por tanto, sólo la porc ión no ionizada de un electrolito dé ­bi l se difunde con facilidad a t ravés de la membrana. El grado de ionización que sufre un fá rmaco es una carac ter í s t ica propia del compuesto y depende de la facilidad con la que cede o acepta electrones. E n el pr imer caso se t r a t a r á de u n ác ido débi l y , en el segundo, de una base débi l . L a constante de disociación de una sustancia, expresada como K a o m á s c o m ú n m e n t e como su lo­gari tmo negativo pKQ, denota su capacidad para ionizarse es­tando en solución.

El grado de disociación depende a d e m á s de la concen t rac ión de iones h i d r ó g e n o , es decir del p H existente en el medio. U n exceso de estos iones disminuye el grado de ionizac ión de un ácido débil y aumenta el de una base débil. De esto resulta que a u n p H bajo las bases se ionizan m á s y los ácidos menos, mientras que a un p H alto los ác idos se ionizan m á s y las bases menos. E n la m a y o r í a de las células o tejidos el p H tanto in t ra como extracelular se mantiene constante a un valor cercano a la neutralidad y , por tanto, es poco factible que el grado de disociación de una sustancia se modifique al

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pasar de uno a otro medio. Sin embargo, existen casos de variaciones considerables de p H en uno u otro lado de la célula , como sucede en la mucosa gás t r ica y en los t úbu los renales. En estos sitios las células , en su superficie que ve hacia la cavidad gás t r ica o ha­cia la luz tubular, es tán expuestas a un p H bajo, mientras que mantienen la neutrali­dad en su interior . U n ác ido , al encontrarse poco disociado en la luz del t ú b u l o renal, puede difundir con facilidad al interior de la célula tubular y de allí al espacio intracelu-lar peri tubular (reabsorción). Este proceso se dificulta si la d isociac ión del compuesto se incrementa al aumentar el p H del contenido del t ú b u l o . L a alcal inización de la or ina para inh ib i r la r eabsorc ión y favorecer la excrec ión de los barbitúricos, que son ác idos dé ­biles, se basa en este mecanismo y constituye una medida úti l en casos de in toxicac ión por estos fá rmacos .

El tamaño de la molécula de un fá rmaco t a m b i é n influye en su velocidad de difusión. Debe recordarse que antes de difundirse en la matr iz lipoidea de la membrana, las mo­léculas deben atravesar interfases agua- l íp ido que l imi t an ambos lados de esta estructu­ra. Este proceso se dif icul tará si la molécu la carece de suficientes grupos hidrofflicos, como es el caso de molécu las o rgán icas grandes que por contener u n gran n ú m e r o de grupos hidrofóbicos , poseen una liposolubilidad alta y sin embargo no atraviesan la membrana con facilidad.

En resumen, la difusión pasiva de un fá rmaco a t r avés de la membrana se rige por el gradiente de concen t r ac ión de la sustancia, su liposolubilidad, el grado de ionizac ión que sufre y su t a m a ñ o molecular.

D i f u s i ó n fac i l i tada

Existen diversas observaciones que indican que en el caso de la t rans locac ión de algu­nas sustancias, la membrana celular no se comporta como una barrera lipoidea inerte, sino que parece poseer mecanismos que determinan que el paso de tales sustancias, si bien se hace siguiendo un gradiente de concen t r ac ión , no es tá en re lac ión con la liposo­lubi l idad de la sustancia en cues t ión . Estas observaciones sugieren a d e m á s que tales mecanismos pueden mostrar selectividad hacia uno de los i sómeros del compuesto, a pesar de que ambos posean las mismas propiedades fisicoquímicas, y que dejan de fun­cionar si el gradiente de concen t r ac ión excede un l ími te .

Estos hechos pueden explicarse mediante la existencia de un sistema de transporte que, c a p t a r í a l a sustancia en la superficie externa de la membrana y la l levar ía hasta la su­perficie interna, en donde la de jar ía en l ibertad. Este proceso se ha denominado de d i ­fusión facilitada, puesto que se hace siguiendo el gradiente de concen t r ac ión , como ocurre en la difusión simple, pero hace posible la translocacion de sustancias que por sus caracter ís t icas fisicoquímicas no ser ían capaces de atravesar la membrana. Basán­dose en los conceptos de especificidad f á rmaco - receptor y enzima-sustrato, se postula que el transportador posee afinidad por sustancias con ciertas caracter ís t icas q u í m i c a s , que se une a estas en forma temporal , y que al desunirse, tanto el transportador como la mo lécu l a transportada quedan intactos. Los elementos acarreadores, que se supone son algunas de las p r o t e í n a existentes en la superficie externa de la membrana, tienen un n ú m e r o l imi tado y pueden por lo tanto saturarse si se ven expuestos a una cantidad suficiente de soluto. E n ese momento la velocidad de transporte deja de estar en rela­ción con el gradiente de concen t r ac ión .

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Puesto que la difusión facilitada se lleva a cabo a favor del gradiente de concentra­c ión , el proceso en sí no requiere gasto de e n e r g í a m á s allá de la que supone el manteni­miento de la integridad de la célula y de su membrana. Como puede verse, este meca­nismo modifica el papel pasivo de la membrana celular y a m p l í a las posibilidades de t ras locac ión de algunos fá rmacos , aunque su funcionamiento en estas circunstancias se ve l imi tado por los requerimientos de especificidad del sistema.

El paso de glucosa al inter ior de los eritrocitos y del a m i n o á c i ­do colina al de las terminaciones nerviosas col inérgicas son ejemplos de difusión facilitada. L a ut i l ización inmediata de es- T R A N S P O R T E D E tas sustancias, la glucosa para satisfacer las necesidades m e t a b ó - FÁRMACOS POR licas del eritrocito y la colina para ser convertida en el transmi- SISTEMAS sor acetilcolina, garantizan el mantenimiento del gradiente de E S P E C I A L I Z A D O S concen t r ac ión requerido para el funcionamiento de este meca­nismo.

Cuando dos sustancias con afinidad por el mismo acarreador coinciden en la superfi­cie externa de la membrana, puede establecerse una competencia entre ambas y una inh ib i r el transporte de la otra. La difusión facilitada de la glucosa y la colina men­cionada en el pá r ra fo anterior es bloqueada por la floridzina y el hemicolinio, respectiva­mente. Ambos compuestos guardan alguna semejanza q u í m i c a con los sustratos nor­males.

Transporte activo

En algunos casos, el paso de solutos a través de la membrana se lleva a cabo en contra del gradiente de concen t r ac ión , es decir, de una fase de menor concen t rac ión a otra de ma­yor concen t r ac ión . En este proceso el gradiente ya no constituye el mecanismo que pro­mueve la difusión, sino que debe existir u n sistema activo que deriva energía de la célula para su funcionamiento. Nótese que el requerimiento energé t ico es la ú n i c a diferencia entre la difusión facilitada y el transporte activo, ya que ambos procesos comparten las caracter ís t icas de afinidad, especificidad y saturabilidad ya mencionadas.

T a m b i é n en el caso del transporte activo puede ocurrir una competencia entre dos sustancias por un acarreador c o m ú n . Esto sucede, por ejemplo, con la penicilinay el pro-benecid, que compiten por el mismo sistema de transporte en los t ú b u l o s renales para su excrec ión . E l probenecid retrasa la e l iminac ión del an t ib ió t ico y permite su administra­ción a intervalos m á s largos. Por tratarse de u n proceso activo, el transporte t a m b i é n puede inhibirse con sustancias que interfieren con el aporte de e n e r g í a necesario para su funcionamiento. T a l es el caso de la A TPasa de sodio y potasio, cuya función normal es la de el iminar iones de sodio del interior de la célula e intercambiarlos por iones de po­tasio del exterior. Este sistema deriva su ene rg ía de la desfosforilación de A T P , proceso que es inhibido por los glicósidos cardiacos. Se cree que el efecto principal de estos fá rma­cos, que es el de aumentar la fuerza de con t r acc ión del m ú s c u l o cardiaco, tiene su o r i gen en esta acción enz imá t i ca .

Fagocitosis, pinocitosii y exocitosis

Algunas m a c r o m o l é c u l a s , a pesar de su gran t a m a ñ o y de poseer caracter ís t icas que d i ­ficultan su difusión o transporte, pueden introducirse en las células merced a fagocito-

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sis o pinocitosis. Ambos son procesos activos que permiten a la membrana celular cap­tar pa r t í cu las sólidas mediante la emis ión de p s e u d ó p o d o s (fagocitosis) o l íqu ido extra-celular mediante invaginaciones (pinocitosis). Las vesículas que contienen el material capturado viajan al inter ior de la célula y allí se desintegran, dejando en l ibertad su contenido. Algunas p r o t e í n a s , como la toxina bo tu l ín ica o diversos an t ígenos pueden absorberse por pinocitosis a t r avés de la mucosa intestinal. Es posible que estos proce­sos de t ras locación se presenten con mayor frecuencia en otras barreras biológicas co­mo los alveolos pulmonares o las paredes vasculares.

L a exocitosis puede considerarse como el f e n ó m e n o inverso a la pinocitosis. Med ian ­te este proceso, material existente en el interior de la célula, por lo general elaborado por ésta , se rodea de una membrana y se constituye en vesícula . L a vesícula se desplaza hacia la membrana celular, se fusiona con ésta , y vierte su contenido al exterior. L a exocitosis es el mecanismo por el cual se liberan transmisores q u í m i c o s , secreciones exocrinas y hormonas; en todos estos casos el proceso se desencadena por es t ímulos es­pecíficos que despolarizan las membranas de las células de almacenamiento.

F i l t r a c i ó n

Este proceso supone el paso de molécu las de soluto a t ravés de p e q u e ñ o s orificios, poros o canales existentes en la membrana. Los factores que rigen la filtración son el gradiente de presión a t r avés de la membrana y el tamaño de la molécula que va a filtrarse. N o inf lu­yen el gradiente de concen t r ac ión n i la l iposolubilidad de las molécu las . L a existencia de poros de filtración en la membrana se ha puesto en duda y sólo se ha inferido para explicar la t rans locac ión de sustancias hidrosolubles de peso molecular bajo. Es m á s probable que la filtración se lleve a cabo en los espacios intercelulares que a t r avés de la membrana.

Resumen

Los fá rmacos en su recorrido para llega a su sitio de acc ión, deben atravesar las diver­sas fases que constituyen el organismo. Estas fases es tán separadas por barreras cuyo elemento fundamental es la membrana celular. Tanto las caracter ís t icas de la membra­na como las propiedades fisicoquímicas del f á rmaco determinan los mecanismos invo­lucrados en este proceso de t rans locac ión . L a membrana está constituida por una doble capa de l ípidos recubierta en sus superficies interna y externa por una monocapa de p ro t e ínas . En la superficie externa existen a d e m á s otras p ro t e ína s que se incrustan en la membrana.

L a t rans locac ión de los fá rmacos puede llevarse a cabo por difusión pasiva, difusión facilitada, trasporte activo, fagocitosis o pinocitosis, y filtración. E n la difusión pasiva el f á rmaco debe disolverse en la matr iz lipoidea de la membrana, por lo que el proceso depende de la l iposolubilidad del compuesto. T a m b i é n depende del gradiente de con­cen t rac ión del soluto en ambos lados de la membrana. L a liposolubilidad es una carac­ter ís t ica propia de cada compuesto y se expresa por su coeficiente de par t i c ión l ípi-do/agua. Como la m a y o r í a de los fá rmacos se comportan como electrolitos débi les que se ionizan parcialmente y las molécu las no ionizadas son m á s liposolubles que las ion i -

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zadas, el grado de disociación influye en la facilidad con la que el compuesto difunde a t r avés de la membrana. Por ú l t i m o , en este proceso interviene t a m b i é n el t a m a ñ o de la molécu la , difundiendo con mayor rapidez las molécu las p e q u e ñ a s que las grandes.

La difusión facilitada t a m b i é n ocurre a favor de un gradiente de concen t r ac ión , pero en ella toma parte un sistema de transporte que posee cierto grado de afinidad y de es­pecificidad por la sustancia transportada. Este mecanismo no supone el consumo de e n e r g í a para su ope rac ión . L a presencia s i m u l t á n e a de dos o m á s sustratos para un mismo sistema acarreador da lugar a competencia, mecanismo por el cual se pueden suscitar interacciones entre f á rmacos . E n el transporte activo t a m b i é n interviene un acarreador específico, pero como el flujo de la sustancia transportada ocurre en contra de u n gradiente de concen t r ac ión , su operac ión requiere de ene rg í a derivada de la célu­la. E l transporte activo puede inhibirse por competencia entre sustratos o por dep res ión del mecanismo energé t i co .

L a fagocitosis y la pinocitosis son procesos activos mediante los cuales la membrana celular capta par t í cu las de gran t a m a ñ o o m a c r o m o l é c u l a s disueltas en el l íqu ido extra-celular, y las deposita en el interior de la célula. Por ú l t i m o , en la filtración los fá rmacos pasan a t r avés de poros o canales de la membrana o de los espacios intercelulares, mer­ced a u n gradiente de p res ión .

B i b l i o g r a f í a

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