Paso de Frmacos a travs de Membranas BiolgicasDr. Witre Omar Padilla

Objetivos1. Describir los mecanismos de transferencia de frmacos a travs de las membranas celulares.2. Describir las propiedades fisicoqumicas de los frmacos que influencian su paso a travs de las membranas.3. Aplicar la ecuacin de Henderson-Hasselbach para predecir el paso y la distribucin de un frmaco entre dos compartimientos biolgicos.4. Inferir la importancia farmacolgica del atrapamiento inico.RetoEn su investigacin, el equipo de trabajo se propone desarrollar un medicamento antihipertensivo en tableta que acte en el sistema nervio central.Qu caractersticas fisioqumicas debe poseer el frmaco, si sabemos que los frmacos no crean proceso ni funciones nuevas, slo utilizan los ya existentes en el organismo?IntroduccinYa sabemos que los medicamentos son las formas como se administran los frmacos en los animales y humanos con fines preventivos o curativos. Ahora bien, para que un frmaco logre llegar desde el sitio o va de administracin hasta el lugar en el que va a ejercer su efecto, tiene que atravesar con xito las distintas barreras que normalmente posee el organismo. Por ejemplo, si una tableta de 500 miligramos de cido acetilsaliclico (aspirina) es ingerida por un individuo para aliviar una cefalea, las molculas de este frmaco tienen que pasar primero desde el espacio del estmago o intestino hacia la sangre, luego sta la transporta hasta los lmites con el cerebro y,finalmente, llega al tejido y clulas cerebrales donde van a actuar. Esas tres barreras que debe atravesar ste frmaco son las constituidas por las paredes del estmago o intestino, las paredes de los capilares que riegan a esos rganos y la hemato-cerebral. En este tema revisamos los mecanismos utilizados para la transferencia o paso de los frmacos por las diferentes barreras biolgicas.Las Membranas Biolgicas como Barreras para la Transferencia de FrmacosSi bien en su desplazamiento de un espacio a otro, un frmaco puede tener como barrera una o varias capas de clulas, es evidente que para penetrarlas puede hacerlo pasando por los espacios creados entre una y otra(paracelular),o atravesando su membrana plasmtica(transcelular); sta segunda opcin es el mecanismo ms comn.Sabemos que la estructura bsica de la membrana plasmtica est formada por una bicapa de lpidos anfipticos, con sus cadenas de fosfolpidos orientadas espontneamente de forma perpendicular al plano de la membrana, dejando los grupos polares hacia fuera y las cadenas hidrfobas de cidos grasos hacia dentro.

Las molculas de lpidos individuales en la doble capa varan de acuerdo con la membrana en particular y se pueden mover en sentido lateral, y as dar a la membrana propiedades como fluidez, flexibilidad, gran resistencia elctrica e impermeabilidad relativa a molculas fuertemente polares. Las protenas de la membrana que estn dentro de la bicapa sirven como receptores, canales de iones o transportadores para estimular vas de seales elctricas o qumicas, y constituir blancos selectivos para la accin de frmacos.Entonces, la composicin de la membrana celular es determinante en el proceso de transferencia de frmacos hacia uno u otro lado. As los lpidos son los responsables principales del paso de frmacos, pero las protenas, que intervienen en la mayora de las funciones de la membrana, desempean un importante papel en los procesos farmacocinticas y farmacodinmicos, como veremos en este y otros temas.Como sabemos, casi todas las membranas celulares son relativamente permeables al agua, sea por difusin o por el flujo resultante de diferencias hidrostticas u osmticas a travs de la membrana, y el agua que se intercambia arrastra consigo molculas de frmacos.Este tipo de transporte(transcapilar,transcelularconstituye el principal mecanismo por el cual los frmacos libres (no unidos a protenas u otros ligandos) y no polares pasan a travs de casi todas las membranas del endotelio vascular. El transporte a travs de los espacios intercelulares(paracelular)constituye un factor importante de la filtracin en las membranas glomerulares del rin.En tejidos especficos como en los capilares del sistema nervioso central y otros epiteliales existen uniones intercelulares oclusivas, y como consecuencia es muy limitado el transporte paracelular de frmacos.El agua que se intercambia arrastra consigo sustancias hidrosolubles de pequeo tamao, pero si la masa molecular de dichos compuestos excede de 100 a 200 daltons, dicho transporte queda frenado. Sobre tal base, casi todos los frmacos lipfilos de gran peso molecular deben pasar por la propia membrana celular, por uno o ms mecanismos que all existen.Mecanimos de Transferencia de Frmacos por la MembranaLos frmacos cruzan las membranas por medio de procesos pasivos o por mecanismos en los que intervienen de manera activa los componentes de ella.1.-Transporte pasivo.Las molculas de frmacos por lo general penetran por difusin pasiva a favor de un gradiente de concentracin gracias a su solubilidad en la bicapa lipdica. Esta transferencia es directamente proporcional a la magnitud del gradiente de concentracin a uno y otro lado de la membrana, el coeficiente de particin o de reparto lpido: agua, propio del frmaco, y el rea de la superficie celular.Esta difusin pasiva es el mecanismo de transporte ms comn.La mayora de los frmacos tienen un tamao pequeo o mediano (menos de 500-650 daltons) que permiten su paso a travs de las membranas por difusin pasiva a favor de un gradiente de concentracin cuando no estn ionizados. La velocidad de esta transferencia, segn laley de Fick, ser tanto mayor cuanto mayor sea el gradiente de concentracin, menor sea el tamao de la molcula y mayor sea su liposolubilidad. A su vez la liposolubilidad depende del grado de ionizacin: la forma ionizada no difunde a travs de la membrana, mientras que la forma no ionizada difundir hasta que se equilibre la concentracin a ambos lados de ella.Es oportuno resaltar que la mayora de los frmacos son electrlitos dbiles (cidos o bases), por tanto en solucin estn ms o menos ionizados dependiendo de su pKa, es decir, del logaritmo negativo de la constante de ionizacin de un cido (expresa el pH en el cual la mitad del frmaco se halla en su forma ionizada) y del pH del medio segn la frmula de Henderson-Hasselbalch:pH=pKa+ log (base / cido)Para un frmaco electrolito cido dbil, ser:pH=pKa+ log (ionizado / no ionizado)Mientras que para otro frmaco electrolito base dbil, ser:pH=pKa+ log (no ionizado / ionizado)La formano ionizada(neutra) difundir libremente hasta que se equilibre a ambos lados de la membrana, mientras que la formaionizada,por presentar grupos hidroflicos (polares), no pasar.Conviene recordar que un frmaco cido dbil es una molcula neutra que puede disociarse de manera reversible en un anin(una molcula con carga negativa)y un protn(un in hidrgeno);por ejemplo, el cido acetilsaliclico se disocia como sigue:C8H7O2COOH ---------C8H7O2COO-+ H+Aspirina neutraaspirina aninprotnUn frmaco, que es una base dbil, puede definirse como una molcula neutra capaz de formar un catin (una molcula con carga positiva) al combinarse con un protn. Por ejemplo, la pirimetamina, un antipaldico, sufre el siguiente proceso de asociacin-disociacin:C12H11ClN3NH3+ ------------------- C12H11ClN3NH2+H+Catin pirimetaminapirimetamina neutraprotn.Aspor ejemplosi un frmaco es cido dbil con unpKa de 4,4,sus cantidades ionizadas y no ionizadas en el estmago(pH de 1,4)son las siguientes:1,4= 4,4 + log (ionizado / no ionizado)- 3=log (ionizado / no ionizado);obteniendo el antilogaritmo, nos queda:1/1000= ionizado / no ionizado.Esto significa que de ese frmaco por cada parte ionizada, existirn 1000 partes no ionizadas en el estmago, por lo tanto si es liposoluble se encuentra disponible para atravesar la membrana celular del estmago y pasar a la sangre.Una vez en la sangre(pH de 7,4)que es otro espacio, el frmaco se puede ionizar. Aqu la frmula deHenderson-Hasselbalchpredice lo siguiente:7,4= 4,4 + log (ionizado) / (no ionizado)3= log (ionizado) / (no ionizado)1000/1= ionizado / no ionizadoQue porcada 1000formas ionizadasexistir 1forma no ionizada.Si solamente las formas no ionizadas del frmaco fueran capaces de atravesar las membranas celulares del estmago, concluiramos que cuando alcance su estado de equilibrio o estado estable entre el jugo gstrico y la sangre es porque existen esas proporciones de concentraciones en uno y otro medio.

Fig. 2.Influencia del pH en la distribucin de un cido dbil entre el plasma y el jugo gstrico separados por una barrera de lpidos.Sobre tal base, en el estado estable un frmaco cido, como es el caso analizado aqu, se acumular en el lado ms alcalino de la membrana, y un frmaco alcalino lo har en el lado ms cido, principio que se llama retencin de iones o atrapamiento inico. Este principio tiene consecuencias obvias en los procesos de absorcin y excrecin de frmacos, como veremos en esos temas.2.-Transporte mediante protenas de la membrana.Se realiza a travs de protenas de la membrana y tiene las siguientes caractersticas:1)la velocidad de paso es, en general, ms rpida que la difusin pasiva;2)es especfico para un tipo de soluto;3)es saturable con una cintica tipo Michaelis-Menten;4)puede haber diferencias de paso en una y otra direccin de la membrana;5)puede ser inhibido competitivamente por otros sustratos y no competitivamente por inhibidores;6)puede ser regulado por el estado de fosforilacin, induccin o represin de la protena transportadora o de su gen, y7)depende de la capacidad de cada tejido de expresar la protena. Este tipo de transporte comprende los siguientes procesos:2.1.Sin gasto de energa.Se realiza a favor de un gradiente de concentracin e incluye la difusin facilitada y el transporte mediante un transportador sin gasto de energa, que se diferencian en la especificidad.La difusin facilitadase realiza a travs de una protena que forma un canal no selectivo, ya que slo depende del dimetro del poro y tamao de la molcula.El paso mediante un transportadorse realiza a travs de una protena que reconoce determinadas molculas, como son los aminocidos bsicos y dipptidos, por lo que es un paso ms selectivo que la difusin facilitada.Se han identificado tres tipos de transportadores: el deunitransportadortransfiere una sola molcula en un determinado tiempo a favor de su gradiente; elcotransportadory elantitransportadorcatalizan el movimiento de un tipo de in o molcula contra un gradiente de concentracin, en acoplamiento con el movimiento de otro in o molcula que se desplaza a favor de su gradiente de concentracin, es decir, acoplan una reaccin energticamente desfavorable con otra energticamente favorable, sin recurrir a la utilizacin del ATP. Si la direccin en que se transfieren las molculas o iones es la misma, se habla decotransportador,y si cada uno va en direccin contraria, se habla deantitransportador.

Fig. 3.Protenas de membrana que intervienen en el transporte inico.Los gradientes estn sealados en forma de tringulos: la punta indica elespacio con concentracin o potencial elctrico ms bajo.2.2.-Con gasto de energa o transporte activo.Permite el transporte de los frmacos contra un gradiente electroqumico. Requiere consumo de energa procedente del metabolismo celular, por lo que est ntimamente acoplado a una fuente de energa, como la hidrlisis del ATP. Puede ser inhibido por mecanismos o sustancias que interfieren la produccin de energa (cambios de temperatura, atmsfera anaerbica o inhibidores metablicos como el cianuro), por sustancias que interfieran las protenas transportadoras (la ouabaina inhibe la ATPasa de la bomba de Na+/K+) y por la carencia de sustancias necesarias para la sntesis o funcionamiento de las protenas transportadoras. El transporte activo de la molcula puede ser primario o secundario al transporte primario de otra molcula.

Con frecuencia, el transporte de frmacos se asocia al de iones como H+ o Na+ que pueden ser transportados en la misma direccin (cotransporte) o en direccin contraria (antitransporte). Este tipo de transporte activo de frmacos se ha observado en el tbulo proximal renal, el tubo digestivo, el tracto biliar, el paso del lquido cefalorraqudeo a la sangre y el paso de la sangre a la saliva, as como en las bacterias (por ejemplo, aminoglucsidos, o cicloserina).3.-Otros sistemas de transporte.La filtracin a travs de hendiduras intercelulares se observa en la pared de algunos capilares sanguneos, donde los frmacos pasan del intersticio a los capilares, de los capilares al intersticio o de los capilares al tbulo proximal renal a travs de hendiduras existentes entre las clulas. La velocidad de filtracin depende del tamao de las hendiduras y de las partculas (por ello no pasan frmacos unidos a protenas), del gradiente de concentracin y de las presiones hidrostticas, en la parte arterial del capilar, y coloidosmtica, en su parte venosa.Las macromolculas se transportan medianteexocitosisoendocitosis.En laexocitosislas vesculas intracelulares se fusionan con la membrana expulsando su contenido al exterior. En laendocitosisse forma una invaginacin, pequea en lapinocitosisy grande en lafagocitosis,que engloba las macromolculas del exterior de la membrana; estas invaginaciones se rompen en el interior de la clula, formando vesculas que contienen las macromolculas.Inicialmente se consider a la endocitosis como un mecanismo inespecfico y no saturable, pero en la actualidad se considera que es con frecuencia especfico e intrnseco al mecanismo de accin de las macromolculas. Por ejemplo, la nefrotoxicidad de los aminoglucsidos se atribuye a que, una vez filtrados, se fijan a receptores que los incorporan a las vacuolas que los introducen en las clulas del tbulo proximal. La endocitosis se utiliza para hacer llegar a su lugar de accin profrmacos, productos de biotecnologa, hormonas peptdicas y citoquinas, como insulina, hormona del crecimiento, eritropoyetina e interleuquinas. En latransitosis,por ejemplo a travs de la barrera hematocerebral, el frmaco es reconocido y captado de la sangre en un lado de la clula endotelial y liberado al sistema nervioso central en el otro lado de la clula.Losionforosson pequeas molculas sintetizadas por los microorganismos, que se disuelven en la capa lipdica de la membrana aumentando su permeabilidad. Pueden ser transportadores mviles de iones y formadores de canal. Por ejemplo, la valinomicina y el A23187 son transportadores mviles que aumentan la permeabilidad de la membrana al K+ y al Ca2+, respectivamente, mientras que la gramicidina A es un ionforo formador de canal que facilita el paso de diversos cationes.Losliposomasse utilizan tambin para favorecer el acceso de frmacos a diversas clulas. Losliposomasson estructuras sintticas formadas por una o ms bicapas concntricas de fosfolpidos que acomodan en su interior frmacos hidrosolubles o liposolubles y macromolculas (como enzimas, hormonas, antgenos, material gentico y otros agentes), que de esta forma consiguen acceder a clulas con capacidad de atrapar estos liposomas.4.-Protenas transportadoras en las membranas celulares.Las protenas demembranas implicadas en el transporte de sustancias endgenas y exgenas han adquirido particular importancia en el anlisis de los procesos farmacocinticos conforme se ha ido conociendo su papel en los procesos de absorcin, distribucin y excrecin (renal y extrarrenal) de los frmacos. Su presencia es responsable de que los frmacos puedan trasladarse de un medio a otro de acuerdo con su direccin de transporte, de modo que en ocasiones el frmaco penetra en las clulas mientras que en otras es expulsado de sta. Como protenas que son, su concentracin se ve regulada, por una parte por la dotacin gnica del individuo, que condiciona la concentracin basal de protenas transportadoras que dicho individuo posee y, por otra, por la posibilidad de que su sntesis pueda ser favorecida por otros frmacos o agentes inductores o de que su funcin pueda verse entorpecida por la presencia de sustratos que compitan o inhiban el mecanismo.Desde un punto de vista farmacolgico, conviene destacar la importancia de dos superfamilias de transportadores de membrana:a)la superfamilia ABC de transportadoresactivos primarios, yb)la superfamilia de facilitadotes mayores (MF) o transportadores activos secundarios y terciarios. La mayora de los miembros de la superfamilia AB