Capítulo 3: Farmacodinámica: mecanismos moleculares de acción de los fármacos

La farmacodinámica es el estudio de los efectos bioquímicos y fisiológicos de los fármacos y sus mecanismos de acción. La comprensión de la farmacodinámica puede proporcionar las bases para el uso terapéutico racional de un medicamento y el diseño de nuevos y mejores agentes terapéuticos. Dicho de una manera simple, la farmacodinámica se refiere a los efectos del fármaco en el organismo. Por el contrario, los efectos del cuerpo en las acciones de un fármaco son procesos farmacocinéticos (cap. 2), lo que incluye absorción, distribución, metabolismo y excreción de fármacos (a menudo conocido por el acrónimo ADME). Muchos efectos adversos de fármacos y efectos tóxicos pueden anticiparse al comprender su mecanismo de acción, su farmacocinética e interacciones con otros fármacos. Así, las propiedades farmacodinámicas y farmacocinéticas de un fármaco contribuyen a un tratamiento seguro y exitoso. Los efectos de muchos fármacos, ya sean beneficiosos o nocivos, pueden diferir ampliamente de un paciente a otro por diferencias genéticas que alteran la farmacocinética y farmacodinámica de un fármaco dado. Este aspecto de la farmacología se denomina farmacogenética y se revisa en el capítulo 7.

Los efectos de la mayor parte de los fármacos son consecuencia de su interacción con componentes macromoleculares del organismo. Estas interacciones alteran la función de componentes pertinentes e inician cambios bioquímicos y fisiológicos que son característicos de la respuesta al fármaco. El término receptor farmacológico u objetivo farmacológico denota las macromoléculas celulares o complejos macromoleculares con los cuales interactúa un fármaco para desencadenar una respuesta celular, es decir, un cambio en la función celular. Los fármacos por lo común alteran la tasa o magnitud de una respuesta celular intrínseca más que crear nuevas respuestas. Los receptores farmacológicos a menudo se localizan en la superficie celular, pero muchos también pueden ubicarse en compartimientos intracelulares específicos como en el núcleo. Muchos fármacos también interactúan con aceptores (p. ej., albúmina sérica) en el organismo. Los aceptores son entidades que no causan algún cambio directo en la respuesta bioquímica o fisiológica, sin embargo la interacción de los fármacos con aceptores, como la albúmina sérica, pueden alterar la farmacocinética de las acciones de un medicamento.

Desde un punto de vista numérico, las proteínas forman la clase más importante de receptores farmacológicos. Algunos ejemplos incluyen los receptores para hormonas, factores de crecimiento, factores de transcripción y neurotransmisores; las enzimas de vías metabólicas cruciales o reguladoras (p. ej., dihidrofolato reductasa, acetilcolina esterasa y fosfodiesterasas nucleotídicas cíclicas); las proteínas que participan en procesos de transporte (p. ej., Na⁺, K⁺-ATPasa); glucoproteínas secretadas (p. ej., Wnts) y proteínas estructurales (p. ej., tubulina). La unión específica de fármacos a otros constituyentes celulares como el DNA también puede explotarse con fines terapéuticos. Por ejemplo, los ácidos nucleicos son receptores farmacológicos de importancia particular para ciertos quimioterapéuticos antineoplásicos y antivirales.

Receptores fisiológicos

Un grupo importante de receptores farmacológicos consiste de proteínas que normalmente actúan como receptores para ligar dos reguladores endógenos. Estos objetivos farmacológicos se denominan receptores fisiológicos. Muchos fármacos actúan sobre receptores fisiológicos y son en particular selectivos porque han evolucionado para identificar y responder a moléculas de señalización individuales con gran selectividad. Se denomina agonistas a fármacos que se unen a receptores fisiológicos y simulan los efectos reguladores de un compuesto de señalización endógeno. Si el fármaco se une al mismo sitio de reconocimiento que el agonista endógeno (el sitio primario u ortostérico en el receptor) se dice que el fármaco es un agonista primario. Los agonistas alostéricos (alotrópicos) se unen a diferentes regiones en un receptor conocidas como sitio alostérico o alotrópico. Los fármacos que bloquean o reducen la acción de un agonista se conocen como antagonistas. El antagonismo resulta más a menudo de competición con un agonista por el mismo sitio o por superposición en el receptor (interacción sintópica), pero también puede ocurrir por interacción con otros sitios en el receptor (antagonismo alostérico) o al combinarse con el agonista (antagonismo químico) o por antagonismo funcional al inhibir de manera indirecta los efectos celulares o fisiológicos del agonista. Los fármacos que tienen eficacia agonista parcial, sin importar la concentración utilizada, se denominan agonistas parciales. Muchos receptores muestran cierta actividad constitutiva en ausencia del ligando regulador; los fármacos que estabilizan dichos receptores en una conformación inactiva se conocen como agonistas inversos (fig. 3-1) (Kenakin, 2004; Milligan, 2003). Obsérvese que los agonistas parciales y los agonistas inversos que interactúan en forma sintópica con un agonista pleno se comportan como antagonistas competitivos.

Especificidad farmacológica

La potencia de una interacción reversible entre un fármaco y su receptor, medida por la constante de disociación se define como la afinidad de uno por otro. La afinidad de un fármaco por su receptor y su actividad intrínseca dependen de su estructura química. La estructura química de un fármaco también contribuye a la especificidad del mismo. Un fármaco que interactúa con un solo tipo de receptor que se expresa en cantidades limitadas de células diferenciadas mostrará gran especificidad. Un ejemplo de este tipo es la ranitidina, un antagonista de los receptores H₂ utilizado para el tratamiento de la enfermedad acidopéptica (cap. 45). Sin embargo, si un receptor tiene expresión ubicua en diversas células en todo el cuerpo, el fármaco actúa sobre tales receptores y muestra efectos amplios, lo que podría producir efectos secundarios o tóxicos graves si el receptor tiene una función importante en varios tejidos.

Existen numerosos ejemplos de fármacos que actúan a través de una acción específica, pero que tienen efectos en todo el cuerpo. Esto incluye a la digoxina, un fármaco inotrópico que inhibe la Na⁺,K⁺-ATPasa, una enzima con expresión ubicua (cap. 28) y los antifolatos antineoplásicos como el metotrexato, que inhibe la dihidrofolato reductasa, una enzima necesaria para que las células sinteticen purinas y timidilato (caps. 60 y 61). La lidocaína es un antagonista de los conductos de Na⁺ que tiene efecto en los nervios periféricos, corazón y sistema nervioso central (SNC) porque los conductos de Na⁺ tienen expresión elevada en todos estos tejidos (caps. 20 y 29).

La lidocaína tiene efectos anestésicos locales cuando se administra en forma local para evitar o aliviar el dolor, pero también puede tener efectos cardiacos y sobre el SNC si alcanza la circulación sistémica. Incluso si el sitio de acción primario del fármaco es local, como podría ser el caso de lidocaína inyectada, los efectos fisiológicos subsiguientes del fármaco pueden ser amplios. Un ejemplo podrían ser los fármacos inmunodepresores (cap. II 35) que inhiben de manera específica a las células del sistema inmunitario; su uso se limita por el riesgo de producir infecciones sistémicas oportunistas. Otros ejemplos de fármacos que actúan de manera local pero tienen efectos sistémicos son los diuréticos (cap. 25) que actúan sobre las células del riñón para alterar concentraciones séricas de electrólitos como K⁺. Sin embargo, la hipopotasiemia que algunos diuréticos producen como la furosemida, puede incrementar de manera significativa el riesgo de calambres musculares y arritmias cardiacas.

Muchos fármacos de importancia clínica muestran especificidad amplia (baja) porque el fármaco tiene la capacidad de interactuar con múltiples receptores en diferentes tejidos. La baja especificidad podría incrementar la utilidad clínica de un fármaco, pero también contribuye a una gama de efectos adversos por interacciones con los sitios de acción. Un ejemplo de un fármaco que interactúa con múltiples receptores es la amiodarona, un fármaco utilizado para el tratamiento de arritmias cardiacas. En el músculo cardiaco, la amiodarona inhibe los conductos de Na⁺, Ca²⁺ y K⁺ e inhibe en forma no competitiva los receptores adrenérgicos β (cuadro 29-3). Todas estas interacciones entre fármaco y receptor pueden contribuir a su eficacia terapéutica y uso amplio para el tratamiento de muchas formas de arritmia. Sin embargo, la amiodarona tiene diversos efectos tóxicos graves, algunos de los cuales se deben a similitudes estructurales del fármaco con la hormona tiroidea y su capacidad de interactuar con los receptores nucleares tiroideos. Los efectos beneficiosos y tóxicos de la amiodarona pueden ser mediados a través de interacciones con receptores que están mal identificados o se desconocen.

Algunos fármacos se administran como mezclas racémicas de estereoisómeros. Estos últimos pueden mostrar diferentes propiedades farmacodinámicas y farmacocinéticas. Por ejemplo, el antiarrítmico sotalol se prescribe como una mezcla racémica; los enantiómeros D y L son aquí potenciales como antagonistas de los conductos de K⁺, pero el enantiómero L es mucho más potente como antagonista de los receptores adrenérgicos β (cap. 29). El labetalol (cap. 12) es otro fármaco que tiene propiedades farmacodinámicas complejas porque se utiliza en la clínica como mezcla racémica que contiene cantidades iguales de cuatro diastereoisómeros. El isómero R,R es un antagonista adrenérgico β₁ potente y un agonista parcial de los receptores β₂; los isómeros S,R y S,S tienen poca o ninguna actividad antagonista β pero poseen actividad antagonista adrenérgica α₁ significativa y los isómeros R,S prácticamente carecen de actividad antagonista adrenérgica. Siempre debe considerarse que un fármaco dado tiene múltiples mecanismos de acción que dependen de diversos factores, lo que incluye la especificidad del receptor, expresión de los receptores específicos en los tejidos, acceso del fármaco a los tejidos en los que ejercerán sus efectos, concentración farmacológica en diferentes tejidos, farmacogenética e interacciones con otros medicamentos.

Las propiedades farmacológicas de muchos medicamentos difieren dependiendo de si el uso del fármaco es agudo o crónico. En algunos casos, la administración crónica causa regulación descendente o desensibilización de los receptores, lo que puede requerir ajuste de la dosis para mantener un tratamiento adecuado. La administración crónica de nitrovasodilatadores para el tratamiento de la angina produce desarrollo rápido de tolerancia completa, un proceso conocido como taquifilaxia. Para evitar la taquifilaxia, es necesario interrumpir el tratamiento con nitrovasodilatadores cada noche por al menos 18 h (cap. 27). También puede ocurrir el desarrollo diferencial de tolerancia a diferentes efectos del fármaco. La tolerancia a los efectos analgésicos de los opioides puede desarrollarse con la administración crónica, en tanto que ocurre escasa tolerancia de los efectos de estos fármacos sobre la depresión respiratoria bajo las mismas condiciones de dosificación (cap. 18). También puede desarrollarse resistencia farmacológica por mecanismos farmacocinéticos (el fármaco se metaboliza con mayor rapidez con la exposición crónica), el desarrollo de mecanismos que evitan que el fármaco alcance su receptor (incremento de la expresión de un transportador de resistencia a múltiples fármacos en células neoplásicas resistentes a fármacos; capítulo 5) o la expansión clonal de células neoplásicas que contienen mutaciones resistentes a fármacos en el receptor farmacológico (p. ej., mutaciones resistentes a imatinib en BCR-ABL; cap. 62).

Algunos efectos farmacológicos no ocurren por medio de receptores macromoleculares, como la neutralización terapéutica del ácido gástrico por antiácidos que contienen hidróxidos de aluminio y magnesio [Al(OH)₃ y Mg(OH)₂]. La administración oral de fármacos que se fijen al colesterol (p. ej., resina de colestiramina) se utiliza para disminuir las concentraciones séricas de colesterol al limitar la absorción de colesterol dietético en el intestino (cap. 31).

Los fármacos antiinfecciosos como los antibióticos, antivirales y aquellos utilizados para el tratamiento de las infestaciones por parásitos se dirigen a receptores o procesos celulares que son críticos para el crecimiento o supervivencia del agente infeccioso, pero que no son esenciales o que se encuentran ausentes en el hospedador. Así, los objetivos terapéuticos de los antiinfecciosos implican el suministrar fármacos a organismos patógenos en concentraciones suficientes para destruir o suprimir el crecimiento del patógeno sin causar efectos indeseables en el paciente. Por ejemplo, los antibióticos como la penicilina inhiben una enzima fundamental necesaria para la síntesis de las paredes celulares bacterianas, una enzima que no está presente en seres humanos o en animales. Un reto importante con muchos antibióticos es el desarrollo rápido de resistencia farmacológica. La resistencia a los antibióticos, antivirales y otros medicamentos puede ser consecuencia de diversos mecanismos, lo que incluye mutaciones del receptor, incremento en la expresión de enzimas que degradan o aumentan la eliminación del fármaco del agente infeccioso y el desarrollo de una vía bioquímica alternativa que evite los efectos del fármaco en el microorganismo (cap. 48).

Relaciones de estructura-actividad y diseño de fármacos

Un número significativo de fármacos útiles en la clínica se desarrollaron en una era cuando el descubrimiento de medicamentos dependía principalmente de la búsqueda de compuestos por su capacidad para producir efectos beneficiosos en pacientes o en modelos de la enfermedad en animales, como las ratas con hipertensión espontánea o los ratones propensos a las convulsiones. Ya se identificaron los receptores causantes de los efectos clínicos de muchos de estos fármacos, aunque se dirigen esfuerzos significativos a identificar sus mecanismos de acción. Por el contrario, la secuenciación del genoma humano en su totalidad ha identificado genes novedosos relacionados con secuencias de receptores conocidos, pero como aún se desconocen los ligandos endógenos y exógenos de estos posibles receptores, éstos se conocen como receptores huérfanos. Aún se encuentran receptores huérfanos en receptores acoplados a proteínas G y familias de receptores hormonales nucleares. El conocimiento detallado de estos objetivos moleculares farmacológicos puede informar del desarrollo de nuevos fármacos con mayor eficacia y menores efectos tóxicos. Con el advenimiento de modelos en animales transgénicos, ahora es factible desarrollar modelos en animales que puedan probar las hipótesis con respecto a los posibles efectos fisiológicos de alterar la función de un receptor específico y predecir los efectos del antagonismo o agonismo de receptores al alterar por medios genéticos la expresión y función del receptor. Los métodos y bases utilizados hoy en día por la industria farmacéutica para diseñar e inventar nuevos fármacos se revisan en forma amplia en el capítulo 1 y se mencionan brevemente a continuación.

La afinidad de un fármaco por su receptor y su actividad intrínseca depende de su estructura química. Las relaciones con frecuencia son bastante estrictas. Las modificaciones relativamente menores en la molécula del fármaco pueden ocasionar cambios importantes en sus propiedades farmacológicas basados en la alteración de la afinidad por uno o más receptores. La naturaleza estricta de la estructura química para la unión específica de un fármaco a su receptor se ilustra por la capacidad de los receptores para interactuar de manera selectiva con isómeros ópticos, como se describe para las acciones antimuscarínicas de la DL-hiosciamina (atropina, cuyos efectos dependen del isómero L) en comparación con la D-hiosciamina.

La explotación de las relaciones de estructura y actividad en muchas ocasiones ha ocasionado la síntesis de agentes terapéuticos útiles. Como los cambios en la configuración molecular no alteran todas las acciones y efectos de un fármaco en la misma intensidad, en ocasiones es posible desarrollar un congénere con una razón más favorable de efectos terapéuticos/efectos adversos, incrementando la selectividad entre diferentes células o tejidos o bien, proporcionándole características secundarias más aceptables que las que mostraba el fármaco original. El antagonismo terapéutico útil de hormonas o neurotransmisores se ha desarrollado por modificaciones químicas de la estructura del agonista fisiológico. Las modificaciones menores de la estructura también tienen efectos notables en las propiedades farmacocinéticas de los fármacos. Por ejemplo, la adición de un éster de fosfato en la posición N3 en la fenitoína, un fármaco anticonvulsivo (5,5-difenil-2,4-imidazolidinediona) produce un profármaco (FOSFENITOíNA) que es más soluble en soluciones intravenosas que el compuesto original. Tales modificaciones producen una distribución más fiable en el cuerpo y un fármaco que debe ser desdoblado por una esterasa para que adquiera su actividad.

Dada la información con respecto a la estructura molecular y actividad farmacológica de un grupo relativamente grande de congéneres, es posible utilizar análisis por ordenador para identificar las propiedades químicas (el farmacóforo) necesario para la interacción óptima con el receptor: tamaño, forma, posición y orientación de los grupos con carga o de los enlaces donadores de hidrógeno, entre otras características. Los avances en el modelado molecular de compuestos orgánicos y los métodos para el descubrimiento de receptores para fármacos y el conocimiento de las acciones bioquímicas de fármacos en sus receptores han enriquecido la relación estructura-actividad de manera cuantitativa y su uso en el diseño de fármacos (Carlson y McCammon, 2000). La importancia de las interacciones específicas entre fármaco y receptor puede valorarse al analizar la respuesta de los receptores que han sufrido mutación selectiva en residuos de aminoácidos individuales. Tal información se incrementa al permitir la optimización o diseño de compuestos químicos que pueden unirse al receptor sin mejorar la afinidad, selectividad o efectos reguladores. Los métodos basados en similitudes estructurales también se utilizan para mejorar las propiedades farmacocinéticas de un medicamento, en particular si se conoce su metabolismo. El conocimiento de la estructura de los receptores y de los complejos fármaco-receptor se establece por cristalografía de rayos X con resolución atómica, que es un método incluso más útil en el diseño de ligandos y en la comprensión de las bases moleculares de la resistencia a fármacos y en la falta de respuesta a los mismos (p. ej., la estructura por cristalografía de rayos X de BCR-ABL y los mutantes de BCR-ABL en complejos con imatinib y otros inhibidores de moléculas pequeñas). La tecnología emergente en el campo de la farmacogenética (cap. 7) está mejorando la comprensión de la naturaleza y variación en los receptores y se ha posicionado para permitir el diagnóstico molecular en pacientes individuales para predecir cuáles de ellos se beneficiarán más de un fármaco en particular (Jain, 2004).

La teoría de ocupación de receptores asume que la respuesta se origina en la ocupación del receptor por un fármaco, un concepto que tiene su base en la ley de acción de masas. La medición básica en la farmacología de receptores es la curva de dosis-respuesta (o curva de concentración-respuesta), una ilustración del efecto observado con un fármaco en función de su concentración en el compartimiento del receptor. En la figura 3-2 se muestra una curva típica de dosis-respuesta; alcanza su valor asintótico máximo cuando el fármaco ocupa todos los sitios receptores.

Algunos fármacos causan respuesta de estimulación con dosis bajas y de inhibición con dosis altas. Se dice que estas relaciones en forma de U para algunos sistemas de receptores muestran hormesis. Varios sistemas de fármaco-receptor pueden mostrar esta propiedad (p. ej., prostaglandinas, endotelina y agonistas serotoninérgicos y purinérgicos, entre otros), lo que probablemente sea la raíz de algunas toxicidades farmacológicas (Calabrese y Baldwin, 2003).

Afinidad, eficacia y potencia. En términos generales, las interacciones entre fármaco y receptor se caracterizan por 1) unión del fármaco al receptor y 2) generación de una respuesta en un sistema biológico, como se ilustra en la ecuación 3-1 donde el fármaco o ligando se denota con la letra L y el receptor activo con R. La primera reacción, la formación reversible de un complejo LR (ligando-receptor) depende de la propiedad química de afinidad.

donde LR* se produce en proporción con la concentración de [LR] y produce una respuesta. Esta relación simple ilustra la dependencia de la afinidad de ligando (L) con el receptor (R) sobre la tasa de asociación (k₊₁) o tasa anterógrada y la tasa de disociación (k₋₁) o tasa inversa. En cualquier momento dado, la concentración del complejo ligando-receptor [LR] es igual al producto de k₊₁[L][R], la tasa de formación del complejo bimolecular LR menos el producto k₋₁[LR], la tasa de disociación de LR en L y R. En equilibrio (es decir, cuando δ[LR]/δt = 0), k₊₁ [L][R] = k₋₁ [LR]. La constante de disociación en equilibrio (K_D) se describe por la razón de constantes de asociación y disociación (k₋₁/k₊₁).

Así, en equilibrio,

La constante de afinidad o constante de asociación en equilibrio (K_A) es el recíproco de la constante de disociación en equilibrio (K_A = 1/K_D); así, un fármaco de alta afinidad tiene un K_D bajo y se unirá en mayores cantidades con un receptor en particular a concentraciones bajas que un fármaco con baja afinidad. Para fines prácticos, la afinidad de un fármaco se ve influida más a menudo por los cambios en su tasa de disociación (k₋₁) que por su tasa de asociación (k₊₁). La ecuación 3-2 permite escribir una expresión de la fracción de ocupación (f) de los receptores por un agonista:

Esto puede expresarse en términos de K_A (o K_D) y [L]:

Esta relación ilustra que cuando la concentración de un fármaco es igual a la K_D (o 1/K_A), f = 0.5, es decir, el fármaco ocupa el 50% de los receptores. Obsérvese que esta relación describe sólo la ocupación de receptores, no la posible respuesta que a menudo se ve amplificada por la célula. Muchos sistemas de señalización alcanzan una respuesta biológica plena con sólo la fracción de receptores ocupados (lo que se describe más adelante). La potencia se define por el ejemplo que se muestra en la figura 3-3. Básicamente, cuando dos fármacos producen respuestas equivalentes, se dice que es más potente el fármaco cuya curva de dosis-respuesta (graficada en la figura 3-3A) se encuentra en el lado izquierdo (la concentración que produce la mitad del efecto máximo [EC₅₀] es más pequeña).

Respuesta a los fármacos. La segunda reacción que se muestra en la ecuación 3-1 es la formación reversible del complejo activo ligando-receptor, LR*. La capacidad de un fármaco para activar receptores y generar una respuesta celular es reflejo de su eficacia. Desde hace mucho tiempo la eficacia se ha considerado como una constante de proporcionalidad que cuantifica la extensión de cambio funcional producido por el sistema de respuesta mediado por receptores con la unión de un fármaco. Así, un fármaco con alta eficacia puede ser un agonista pleno y desencadenar, a cierta concentración, una respuesta plena. Un fármaco con una eficacia menor en el mismo receptor podría no desencadenar una respuesta plena aun a dosis muy elevadas (fig. 3-1). Cuando es posible describir la eficacia relativa de fármacos en un receptor en particular, un fármaco con baja eficacia intrínseca será un agonista parcial. Un fármaco que se une al receptor y muestra eficacia cero es un antagonista. Cuando la respuesta de un agonista se mide en un sistema biológico simple, la constante de disociación aparente, K_app, es una constante de equilibrio macroscópico que refleja tanto el equilibrio de unión a ligando como el equilibrio subsiguiente que da origen a la formación de un receptor activo LR*.

Cuantificación del agonismo. Cuando la potencia relativa de dos agonistas de igual eficacia se mide en el mismo sistema biológico, la serie de eventos de señalización siguientes son los mismos para ambos fármacos y la comparación origina una medición relativa de la afinidad y eficacia de dos agonistas (fig. 3-3). Es conveniente describir la respuesta de agonistas al determinar la concentración eficaz media máxima (EC₅₀) para producir un efecto dado. Así, la medición de la potencia de un agonista en comparación con el valor EC₅₀ es un método para medir la capacidad de diferentes agonistas para inducir una respuesta en un sistema de prueba y para predecir actividad comparable en otra. Otro método de estimar la actividad agonista es comparar las asíntotas máximas en sistemas donde los agonistas no producen una respuesta máxima (fig. 3-3B). La ventaja de utilizar el valor máximo en esta propiedad depende sólo de la eficacia, en tanto que la potencia de un fármaco es una mezcla de la función de afinidad y eficacia.

Cuantificación del antagonismo. Los patrones característicos de antagonismo se relacionan con ciertos mecanismos de bloqueo de receptores. Uno es el simple antagonismo competitivo, en el cual un fármaco con afinidad por un receptor pero que carece de eficacia intrínseca compite con el agonista por el sitio de unión primario en el receptor (Ariens, 1954; Gaddum, 1957). Este patrón característico de antagonismo es la producción de un desplazamiento paralelo a la derecha en la curva de dosis-respuesta dependiente de la concentración, sin cambio en la respuesta máxima (fig. 3-4A). La magnitud de este desplazamiento hacia la derecha en la curva depende de la concentración del antagonista y de su afinidad por el receptor (Schild, 1957).

Un agonista parcial puede competir de la misma forma con un agonista “total” para unirse al receptor. Sin embargo, el incremento las concentraciones de un agonista parcial inhibe la respuesta a un nivel finito característico de la eficacia intrínseca del fármaco; un antagonista competitivo reduce la respuesta a cero. Los agonistas parciales pueden utilizarse en forma terapéutica para amortiguar una respuesta al inhibir la estimulación excesiva del receptor sin abolir por completo la estimulación del mismo (p. ej., el pindolol es un antagonista β con ligera actividad agonista intrínseca, que evita la estimulación excesiva del corazón al bloquear los efectos de las catecolaminas endógenas, pero que asegura una ligera estimulación del receptor en pacientes muy sensibles a los efectos inotrópicos y cronotrópicos negativos del bloqueo β.

Un antagonista puede desasociarse con tal lentitud de su receptor que la acción es excesivamente prolongada, como ocurre para la buprenorfina, un agonista opioide parcial y con la amlodipina, un antagonista de los conductos de Ca²⁺. En presencia de un antagonista con disociación lenta, la respuesta al agonista se disminuye a ciertas concentraciones del antagonista (fig. 3-4B). Desde el punto de vista operacional, esto se conoce como antagonismo no competitivo, aunque los mecanismos moleculares de acción en realidad no pueden inferirse de manera inequívoca a partir de ese efecto. Un antagonista puede interactuar de manera irreversible (unión covalente) con un receptor, como lo hace la fenoxibenzamina, un antagonista adrenérgico α y el inhibidor de la acetilcolinesterasa DFP (diisopropilfluorofosfato) para producir efectos relativamente irreversibles. Un antagonista irreversible compite por el mismo sitio de unión de forma que el agonista puede producir el patrón de antagonismo que se muestren la figura 3-4B. El antagonismo no competitivo también puede ser producido por otro tipo de fármaco, conocido como antagonista alostérico o alotópico. Este tipo de fármaco produce su efecto al unirse con un sitio diferente en el receptor al del agonista, con lo que cambia la afinidad del receptor por el agonista. En el caso de antagonistas alostéricos, la afinidad del receptor para el agonista disminuye con el antagonista (fig. 3-4C). Por el contrario, un fármaco que se une a un sitio alostérico podría potenciar los efectos del agonista primario (fig. 3-4D); tal fármaco podría denominarse agonista alostérico o coagonista (May et al., 2007).

La afinidad de un antagonista competitivo (K_i) por su receptor puede determinarse en análisis de fijación a un ligando radiomarcado o al medir la respuesta funcional de un sistema a un fármaco en presencia del antagonista (Cheng, 2004; Cheng y Prusoff, 1973; Limbird, 2005). Las curvas de concentración se analizan con el agonista solo y con el agonista más una concentración eficaz del antagonista (fig. 3-4A). Conforme se añade más antagonista (I), serán necesarias mayores concentraciones del agonista (A) para producir una respuesta equivalente (la mitad de la respuesta máxima o respuesta de 50%, la cual es un método conveniente y preciso para conocer el nivel de respuesta).

El grado de desplazamiento hacia la derecha en la curva dependiente de la concentración es una medida de la afinidad del inhibidor; un inhibidor con mayor afinidad ocasiona un desplazamiento mayor hacia la derecha que un inhibidor de baja afinidad con las mismas concentraciones de inhibidor. Con el empleo de las ecuaciones 3-3 y 3-4, es posible escribir expresiones matemáticas de la fracción (f) de receptores ocupados del receptor por el agonista cuando se analiza el agonista solo (testigo) y del agonista en presencia del inhibidor.

Cuando se analiza el fármaco agonista solo (L),

Para el caso del agonista con antagonista

Asumiendo que respuestas iguales proceden de igual fracción de receptores ocupados tanto en ausencia como en presencia de antagonistas, la fracción de receptores ocupados será igual a las concentraciones del agonista (L y L′) que generan respuestas equivalentes en la figura 3-4A. Así,

Al simplificar se obtiene:

donde se conocen todos los valores con excepción de K_i. Así, se puede conocer el valor de K_i para el antagonista competitivo reversible sin conocer la K_D del agonista y sin necesidad de definir la relación precisa entre el receptor y la respuesta.

Los individuos varían en la magnitud de su respuesta a la misma concentración de un fármaco solo o fármacos similares, y un individuo dado podría no responder siempre en la misma forma a la misma concentración del fármaco. Se han realizado intentos para definir y medir la “sensibilidad” (o “resistencia”) individual a fármacos en el entorno clínico, y se han realizado progresos en la comprensión de algunas de las determinantes de sensibilidad a fármacos que actúan en receptores específicos. La respuesta a los fármacos puede cambiar por la enfermedad o porque se hubiera administrado el fármaco con anterioridad. Los receptores son dinámicos y su concentración y función pueden presentar regulación ascendente o descendente por factores endógenos y exógenos.

Los datos con respecto a la correlación entre las concentraciones de fármacos con la eficacia y toxicidad deben interpretarse en el contexto de variabilidad farmacodinámica en la población (p. ej., aspectos genéticos, edad, enfermedad, presencia de fármacos administrados de manera simultánea). La variabilidad en la respuesta farmacodinámica en la población puede analizarse al construir una curva de concentración-efecto (fig. 3-5A). La dosis necesaria de un fármaco para producir un efecto especificado en 50% de la población se denomina dosis eficaz media (ED₅₀, fig. 3-5A). En estudios preclínicos de fármacos, la dosis letal media (LD₅₀) se determina en animales de experimentación (fig. 3-5B). La razón entre LD₅₀/ED₅₀ es una indicación del índice terapéutico, que establece qué tan selectivo es el fármaco para producir el efecto deseado en comparación con sus efectos adversos. En términos similares, el intervalo terapéutico es la gama de concentraciones en equilibrio de un fármaco que proporciona la eficacia terapéutica con mínima toxicidad (fig. 3-6). En estudios clínicos, la dosis, o de preferencia, la concentración de un fármaco que es necesaria para producir los efectos tóxicos puede compararse con la concentración necesaria para obtener los efectos terapéuticos en la población para valorar el índice terapéutico clínico. La variación farmacodinámica en la población puede ser notable y por tanto la concentración o dosis de un fármaco necesaria para producir un efecto terapéutico en la mayor parte de la población por lo común se superpone con la concentración necesaria para producir efectos tóxicos en una parte de la población, incluso aunque el índice terapéutico del fármaco en un paciente individual puede ser muy grande. Asimismo, las curvas de concentración-porcentaje para la eficacia y toxicidad no necesariamente son paralelas, lo que añade otro factor de complejidad para establecer el índice terapéutico en pacientes. Por último, ningún fármaco produce un solo efecto y el índice terapéutico para un fármaco varía dependiendo de los efectos que se valoren.

No se cuenta con una demostración clara de la relación de concentraciones plasmáticas de fármaco con la eficacia o toxicidad para muchos fármacos; incluso cuando puede conocerse dicha relación, por lo común sólo se predice una probabilidad de que ocurre eficacia o toxicidad. En estudios clínicos de fármacos antidepresivos, en los que una proporción grande de pacientes responde al tratamiento con placebo, es difícil establecer cuál es la concentración plasmática relacionada con la eficacia. Existe una curva de concentración-respuesta para la eficacia y los efectos adversos (fig. 3-5B); para muchos fármacos, la concentración que logra la eficacia en toda la población puede producir efectos adversos en algunos individuos. Así, el intervalo terapéutico en la población expresará una gama de concentraciones en las cuales la probabilidad de obtener una respuesta eficaz es elevada y la probabilidad de efectos adversos es baja (fig. 3-6). Esto no garantiza su eficacia o seguridad. Por lo tanto, se utiliza el intervalo terapéutico en la población para ajustar la dosis de un fármaco, lo que debe complementarse con la vigilancia apropiada desde el punto de vista clínico y marcadores sustitutos para medir el efecto (o efectos) del fármaco.

Factores que modifican la acción del fármaco. Muchos factores pueden influir en la seguridad y eficacia terapéutica de un fármaco en un paciente individual. Estos mismos factores originan variabilidad interindividual en la dosis necesaria para obtener un efecto terapéutico óptimo con mínimos efectos adversos. En la figura 3-7 se muestran algunos de los factores que contribuyen a la amplia variabilidad de un paciente a otro en la dosis necesaria para un tratamiento óptimo que se observan con muchos fármacos. El éxito terapéutico y la seguridad son consecuencia de la evidencia integrada en cuanto a eficacia y seguridad con el conocimiento de los factores individuales que determinan la respuesta en un paciente dado. Los determinantes de la variación interindividual en la respuesta a los fármacos y que están relacionados con la farmacocinética incluyen alteraciones relacionadas con procesos patológicos, como alteración de la eliminación hepática o renal por enfermedades hepáticas y renales, insuficiencia circulatoria, alteración de la unión del fármaco a proteínas plasmáticas, alteración de la absorción gastrointestinal e interacciones farmacocinéticas. Los efectos de estos factores en la variabilidad de la farmacocinética de un medicamento se describen más ampliamente en los capítulo 2, 5, 6 y 7.

Farmacogenética. El término farmacogenética se refiere a las variaciones genéticas y genómicas que dan origen a la variabilidad en los aspectos farmacocinéticos y farmacodinámicos del tratamiento con medicamentos. Tales factores contribuyen a una significativa variabilidad interindividual en las respuestas a muchos fármacos (cap. 7). Entre los mejores ejemplos de un fármaco con sensibilidad interindividual significativa por factores genéticos que afectan aspectos farmacocinéticos y farmacodinámicos se encuentra la warfarina, un anticoagulante (cap. 30). A fin de lograr un tratamiento anticoagulante óptimo con efectos adversos mínimos (estado de hipercoagulabilidad por dosis subóptima o hemorragia excesiva por dosificación excesiva) es necesario establecer un intervalo de dosis estrecho (el índice terapéutico de la warfarina es muy bajo). Existe una variación interindividual considerable en el intervalo óptimo de dosificación, en el orden de 10 veces o más; casi 60% de la variabilidad se debe a variaciones genéticas en la enzima que metaboliza el fármaco (CYP2C9) y en el receptor del fármaco, un complejo de epóxido reductasa de vitamina K, subunidad 1 (VKORC1). El polimorfismo en CYP2C9 (en especial la homocigosidad en el alelo *3/*3) incrementa la sensibilidad a la warfarina, mientras que el polimorfismo en la codificación de la región VKORC1 produce un fenotipo resistente a la warfarina. En el año 2007, la FDA recomendó que se utilizaran estudios de farmacogenética para optimizar la dosificación de warfarina, pero no proporcionó protocolos específicos para su uso. Más tarde, un algoritmo que incorporó datos clínicos y fármaco genéticos mostró ser significativamente mejor que los algoritmos que carecían de datos genéticos para predecir la dosis inicial apropiada de warfarina, que estuviera cerca de la dosis estable necesaria. Los pacientes que más se beneficiaron con el algoritmo de farmacogenética representaron 46% y fueron aquellos que requirieron dosis más altas o más bajas para lograr una anticoagulación óptima (Klein et al., 2009).

Tratamiento combinado. Pueden surgir alteraciones notables en los efectos de algunos fármacos por la administración simultánea con otras sustancias, lo que incluye fármacos de prescripción y los de venta libre, complementos alimenticios y productos “nutricéuticos”. Tales interacciones pueden causar toxicidad o inhibir los efectos farmacológicos y los beneficios terapéuticos. La interacción farmacológica siempre debe considerarse cuando ocurran respuestas farmacológicas inesperadas. La comprensión de los mecanismos de interacción farmacológica proporciona un marco de referencia para evitarlas. Las interacciones farmacológicas pueden ser farmacocinéticas (la cantidad de un fármaco a su sitio de acción se altera por la acción de un segundo fármaco) o farmacodinámicas (la respuesta de un objetivo farmacológico se modifica por la acción de un segundo fármaco). En el capítulo 2 se presentan ejemplos de interacciones farmacocinéticas que incrementan o disminuyen la cantidad de un fármaco a su sitio de acción. En pacientes con múltiples enfermedades asociadas que requieren diversos medicamentos, podría ser difícil identificar los efectos adversos por las interacciones medicamentosas y establecer si son interacciones farmacocinéticas, farmacodinámicas o combinaciones de éstas.

Las combinaciones de fármacos se emplean como ventaja terapéutica cuando sus efectos beneficiosos son aditivos o sinergistas o porque es posible lograr los efectos terapéuticos con menos efectos adversos específicos para los fármacos al utilizar dosis submáximas de los fármacos en combinación. A menudo el tratamiento combinado constituye el tratamiento óptimo para muchos trastornos, lo que incluye insuficiencia cardiaca (cap. 28), hipertensión (cap. 27) y cáncer (caps. 60 a 63). Existen muchos ejemplos de interacciones farmacodinámicas que pueden producir efectos adversos significativos. Los nitrovasodilatadores producen relajación del músculo liso vascular (vasodilatación) a través de elevación del cGMP dependiente de óxido nítrico en el músculo liso vascular. Los efectos farmacológicos de sustancias como sildenafil, tadalafil y vardenafil son consecuencia de la inhibición de la fosfodiesterasa de nucleótidos cíclicos tipo 5 (PDE5) que hidroliza el cGMP a 5′GMP en los vasos sanguíneos. Así, la administración simultánea del donador de óxido nítrico (NO), por ejemplo, la nitroglicerina, con un inhibidor de PDE5 puede causar hipotensión potencialmente catastrófica. La warfarina es un anticoagulante oral con estrecho margen terapéutico entre la inhibición de la formación del coágulo y las complicaciones hemorrágicas y participa en numerosas interacciones farmacológicas importantes tanto farmacocinéticas como farmacodinámicas. Las alteraciones en el consumo dietético de vitamina K pueden afectar de manera significativa la farmacodinámica de la warfarina y es necesario realizar cambios en la dosificación si el consumo alimentario del paciente es inconsistente. De la misma forma, los antibióticos que alteran la flora intestinal reducen la síntesis bacteriana de vitamina K, por lo que incrementan los efectos de la warfarina. Los analgésicos antiinflamatorios no esteroideos (NSAID, nonsteroidal anti-inflammatory drugs) causan úlceras gástricas y duodenales (cap. 34) y la administración simultánea con warfarina incrementa el riesgo de hemorragia de tubo digestivo en casi cuatro veces en comparación con la administración de warfarina sola. Al inhibir la agregación plaquetaria, el ácido acetilsalicílico incrementa la incidencia de hemorragia en pacientes que reciben warfarina. Un subgrupo de NSAID, entre los que se encuentra la indometacina, ibuprofeno, piroxicam e inhibidores de la ciclooxigenasa 2 (COX-2) pueden antagonizar el tratamiento antihipertensivo, en especial con regímenes que utilizan inhibidores de la enzima convertidora de angiotensina, antagonistas de los receptores de angiotensina I y antagonistas adrenérgicos β. El efecto en la presión arterial varía desde modificaciones triviales a graves. Por el contrario, el ácido acetilsalicílico y el sulindaco producen poca o ninguna elevación de la presión arterial cuando se utilizan de manera concomitante con estos fármacos antihipertensivos. Los antiarrítmicos como el sotalol y la quinidina, que bloquean los conductos de K⁺ pueden causar taquicardia ventricular polimorfa (también conocida como torsade de pointes, capítulo 29). La repolarización anormal que da origen a la taquicardia ventricular polimorfa es potenciada por la hipopotasiemia y los diuréticos que producen pérdida de K⁺ incrementan el riesgo de arritmia inducida por fármacos.

La mayor parte de los fármacos se evalúan en adultos jóvenes y de edad madura y los datos sobre su uso en niños y personas de edad avanzada son escasos. En extremos de edad, la farmacocinética y farmacodinámica pueden verse alteradas, tal vez requiriendo modificaciones sustanciales en la dosis o en el régimen de dosificación para producir el efecto clínico deseado con seguridad.

Receptores que afectan las concentraciones de ligandos endógenos

Un gran número de fármacos actúan alterando la síntesis, almacenamiento, liberación, transporte o metabolismo de ligandos endógenos como neurotransmisores, hormonas y otros mediadores intercelulares. Hay muchos ejemplos de fármacos que actúan sobre la unión neuroefectora al alterar la síntesis del neurotransmisor, almacenamiento del neurotransmisor en vesículas, liberación del neurotransmisor en la hendidura sináptica y la eliminación subsiguiente del neurotransmisor de la hendidura sináptica por hidrólisis o transporte hacia la neurona presináptica o postsináptica. Los efectos de estos fármacos pueden incrementar o disminuir los efectos del neurotransmisor para lograr el efecto terapéutico deseado. Por ejemplo, algunos de los fármacos actúan sobre los neurotransmisores adrenérgicos (caps. 8 y 12) lo que incluye a la metiltirosina α que inhibe la síntesis de noradrenalina (N, norepinephrine), cocaína (bloquea la recaptación de NE), anfetaminas (favorece la liberación de NE) y seligilina (inhibe la degradación de NE). Existen ejemplos similares de otros sistemas de neurotransmisores, lo que incluye la acetilcolina (ACh; caps. 8 y 10), dopamina (DA, dopamine) y serotonina (5-HT; caps. 13 a 15). Los fármacos que afectan la síntesis de mediadores circulantes, como los péptidos vasoactivos (p. ej., inhibidores de la enzima convertidora de angiotensina; cap. 26) y los autacoides derivados de lípidos (p. ej., inhibidores de la ciclooxigenasa, cap. 33) también se utilizan ampliamente en el tratamiento de la hipertensión, inflamación, isquemia miocárdica y otros estados patológicos.

Receptores que regulan el entorno iónico

Un número relativamente pequeño de fármacos actúa al afectar el entorno iónico de sangre, orina y tubo digestivo. Los receptores para estos fármacos son bombas y transportadores iónicos, muchos de ellos se expresan sólo en células especializadas del riñón y del tubo digestivo. Los efectos farmacológicos en varios de tales receptores pueden tener efectos en todo el cuerpo por cambios en los electrólitos y pH sanguíneos. Por ejemplo, la mayor parte de los diuréticos (furosemida, clorotiazidas, amilorida) actúan al afectar directamente las bombas y transportadores iónicos en las células epiteliales de las nefronas lo que incrementa el desplazamiento de Na⁺ hacia la orina o mediante la alteración de la expresión de bombas iónicas en dichas células (p. ej., aldosterona). En el capítulo 25 se proporciona una descripción detallada de los mecanismos de acción de los fármacos diuréticos. Otro objetivo terapéutico de importancia es la H⁺,K⁺-ATPasa (bomba de protones) de las células parietales gástricas. La inhibición irreversible de esta bomba de protones por fármacos como el esomeprazol reduce la secreción de ácido gástrico en 80 a 95% (cap. 45) y que es un aspecto fundamental del tratamiento para la úlcera péptica.

Vías celulares activadas por receptores fisiológicos

Vías de transducción de señales. Los receptores fisiológicos tienen al menos dos funciones importantes, la unión a ligandos y la propagación de mensajes (señalización). Tales funciones implican la existencia de al menos dos dominios funcionales en el receptor: un dominio al cual se une el ligando y un dominio efector. La estructura y función de estos dominios en muchas familias de receptores se ha reducido por estructuras cristalográficas de alta resolución de las proteínas que actúan como receptores, por análisis de la conducta de los receptores mutados de manera intencional o por ambos métodos. Muchos fármacos utilizan como objetivo el dominio extracelular de unión de ligando de los receptores fisiológicos. Algunos ejemplos incluyen el uso amplio de antagonistas adrenérgicos β. Sin embargo, los fármacos pueden afectar los receptores al dirigirse al dominio, como ocurre en el caso de los fármacos antineoplásicos dirigidos al receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR, epidermal growth factor receptor; caps. 60 a 62). El cetuximab es un anticuerpo monoclonal que se dirige al dominio extracelular de ligando de EGFR e inhibe la señalización del factor de crecimiento epidérmico (EGF, epidermal growth factor) mientras que los fármacos de moléculas pequeñas como gefitinib y erlotinib se unen al dominio efector intracelular y bloquean la actividad de tirosina cinasa del EGFR activado.

Las acciones reguladoras de un receptor pueden ejercerse en forma directa en su objetivo celular, en proteínas efectoras o pueden transmitirse a través de moléculas de señalización celular intermediarias conocidas como transductores. El receptor (el objetivo celular) y cualquier molécula intermediaria se conocen como sistema receptor-efector o vía de transducción de señales. Con frecuencia, la proteína efectora celular proximal no es el objetivo fisiológico final sino que más bien es una enzima, un conductor iónico o una proteína transportadora que crea, desplaza o degrada una molécula pequeña (p. ej., un nucleótido cíclico, trifosfato de inositol u NO) o un ion [p. ej., Ca²⁺]) conocido como segundo mensajero. Si el efector es un conductor iónico o una bomba iónica, el efecto de la unión a un ligando puede ser el cambio en el potencial de membrana que altera la excitabilidad de la célula. Los segundos mensajeros pueden difundirse en la proximidad de los sitios donde se sintetiza o liberarse y transmitir información a diversos objetivos, que pueden integrar múltiples señales. Aunque estos segundos mensajeros originalmente se diseñaron como moléculas de difusión libre en la célula, estudios de imagen muestran que su difusión y acciones intracelulares están limitadas por compartimentalización (ubicación selectiva de los complejos receptor-transductor-efector-terminación de la señal) establecidos por interacciones entre proteínas y entre proteínas y lípidos (Baillie, 2009). Todas las células expresan múltiples formas de proteínas diseñadas para localizar las vías de señalización por interacciones entre proteínas; tales proteínas se denominan proteínas de andamiaje o de fijación. Ejemplos de moléculas de andamiaje incluyen proteínas de fijación de cinasa A (AKAP, A-kinase anchoring proteins) que se unen a subunidades reguladoras en el cAMP dependiente de proteína cinasa (PKA, protein kinase) cerca del sustrato en diversos compartimientos subcelulares (Carnegie et al., 2009).

Integración y amplificación de señales. Los receptores y proteínas efectoras y translocadas asociadas también actúan como integradores de la información conforme coordinan las señales de múltiples ligandos uno con otro y con actividad diferenciada en la célula en que ejercen sus efectos. Por ejemplo, los sistemas de transducción de señales reguladas por cambios en el cAMP (cAMP) y en el Ca²⁺ intracelular están integradas en muchos tejidos explicables. En los miocitos cardiacos, un incremento en el cAMP celular causado por la activación de receptores adrenérgicos β incrementa la contractilidad cardiaca al aumentar la tasa y cantidad de Ca²⁺ suministrado al aparato contráctil; así, cAMP y Ca²⁺ son señales contráctiles positivas en los miocitos cardiacos. En cambio, cAMP y Ca²⁺ producen el efecto opuesto en la contractilidad de las células de músculo liso: como siempre, el Ca²⁺ actúa como señal contráctil, sin embargo la activación de los receptores adrenérgicos β en estas células activa la vía cAMP-PKA, lo que produce relajación a través de la fosforilación de proteínas que media la señalización de Ca²⁺, como la miosina cinasa de cadena ligera y los conductos iónicos que hiperpolarizan la membrana celular. Así, diferentes patrones de integración de los sistemas de transducción de señales en las células objetivo pueden ocasionar diversos efectos farmacológicos que son consecuencia de interacciones funcionales con los receptores. Tales interacciones funcionales pueden ser sinergistas, aditivas o antagonistas.

Otra propiedad importante de los receptores fisiológicos es su capacidad para amplificar de manera significativa una señal fisiológica. Los neurotransmisores, hormonas y otros ligandos extracelulares están presentes en los dominios de fijación del ligando de un receptor en concentraciones muy bajas (concentraciones en el rango de nM a μM). Sin embargo, el dominio efector o la vía de transducción de señales a menudo contiene enzimas y cascadas de enzimas que amplifican en forma catalítica la señal en cuestión. En este sentido, la descripción de ocupación de receptor-respuesta celular en la ecuación 3-1 constituye una simplificación excesiva. La capacidad de prácticamente todos los receptores para amplificar señales fisiológicas los convierte en excelentes objetivos para ligandos naturales y fármacos. Por ejemplo, cuando una molécula agonista se une a un receptor que es un conductor iónico, cientos de miles o millones de iones fluyen a través del conducto iónico cada segundo. De la misma forma, la unión de un fotón único a cis-retinal en un fotorreceptor de rodopsina finalmente se amplifica casi 1 × 10⁶ veces. En el caso de receptores nucleares, una molécula de hormona esteroide que se une a su receptor inicia la transcripción de muchas copias de mRNA específico, que a su vez da origen a múltiples copias de una sola proteína.

Familias estructurales y funcionales de receptores fisiológicos

Los receptores de moléculas reguladoras fisiológicas pueden asignarse a familias funcionales cuyos miembros comparten estructuras moleculares y mecanismos bioquímicos similares con características comunes. En el cuadro 3-1 se resumen las seis familias principales de receptores con ejemplos de sus ligandos fisiológicos, sistemas de transducción de señales y fármacos que afectan estos sistemas. La estructura básica de los dominios de fijación de los ligandos, dominios efectores y la forma en que la unión de agonistas influye en la actividad reguladora del receptor es bien comprendida por cada uno de estos sistemas de transducción de señales. El número relativamente pequeño de mecanismos bioquímicos y formatos estructurales utilizados para la señalización celular es fundamental para las formas en las que las células integran señales de múltiples receptores para producir respuestas aditivas, secuenciales, sinergistas o inhibidoras.

Receptores acoplados a proteínas G (GPCR)

Receptores y proteínas G. Los GPCR se integran en la membrana plasmática como una haz de siete hélices α (Palczewski et al., 2000) (fig. 3-8). Los seres humanos expresan más de 800 GPCR lo que constituye la tercera familia más grande de genes en seres humanos, y en términos generales casi la mitad de estos GPCR se dedican a la percepción sensorial (olfato, gusto y visión). Los receptores restantes regulan un número impresionante de funciones fisiológicas lo que incluye actividad nerviosa, tensión del músculo liso, metabolismo, contracción cardiaca en cuanto a su frecuencia y fuerza y la secreción de la mayor parte de las glándulas corporales. Incluidos entre los ligandos de GPCR se encuentran neurotransmisores como ACh, aminas biógenas como noradrenalina, todos los eicosanoides y otras moléculas lipídicas de señalización, hormonas peptídicas, opioides, aminoácidos como GABA y muchos otros péptidos y ligandos de proteínas. Los GPCR son reguladores importantes de la actividad nerviosa en el SNC y son los receptores para neurotransmisores del sistema nervioso autónomo periférico. Por ejemplo, la ACh liberada por el sistema nervioso parasimpático regula las funciones de glándulas y músculo liso a través de la acción de receptores muscarínicos. La noradrenalina liberada por el sistema nervioso simpático interactúa con los receptores adrenérgicos α y β para regular la función cardiaca y el tono del músculo liso vascular (caps. 8 a 12). Por su número e importancia fisiológica, los GPCR son objetivos para muchos fármacos; es posible que casi la mitad de todos los fármacos de prescripción que no corresponden al grupo de antibióticos actúan sobre estos receptores.

Subtipos de receptores. Existen múltiples subtipos de receptores en las familias de receptores. Los estudios de unión a ligando con múltiples entidades químicas identificaron al inicio subtipos de receptores; la clonación molecular aceleró en gran medida el descubrimiento y definición de subtipos adicionales de receptores; su expresión como proteínas recombinantes ha facilitado el descubrimiento de fármacos selectivos para los subtipos. Receptores diferentes pero relacionados pueden mostrar patrones particulares de selectividad entre ligandos agonistas o antagonistas. Cuando no se conoce un ligando selectivo, los receptores más a menudo se conocen como isoformas más que como subtipos. La diferenciación entre clases y subtipos de receptores a menudo es arbitraria o tiene objetivos históricos. Los receptores adrenérgicos α₁, α₂ y β difieren uno de otro en la selectividad de ligando y en el acoplamiento a proteínas G (G_q, G_i y G_s, respectivamente), y por tanto los receptores α y β se consideran clases de receptor y α₁ y α₂ se consideran subtipos. Las isoformas de receptores α_1A, α_1B y α_1C difieren poco en cuanto a sus propiedades bioquímicas, aunque es diferente la distribución en los tejidos. Los subtipos de receptores adrenérgicos β₁, β₂ y β₃ muestran diferencias tanto en la distribución y regulación en los tejidos como en la fosforilación por cinasas de receptor de proteínas G (GRK, G-protein receptor kinases) y PKA.

Las diferencias farmacológicas entre subtipos de receptores se utilizan con fines terapéuticos a través del desarrollo y uso de fármacos selectivos para receptores. Dichos fármacos pueden utilizarse para desencadenar respuestas diferentes en un solo tejido cuando los subtipos de receptores inician diferentes señales intracelulares o pueden servir para modular de manera diferencial células o tejidos que expresaron uno u otro subtipo de receptores. Por ejemplo, los agonistas adrenérgicos β₂ como la terbutalina se utilizan para broncodilatación en el tratamiento del asma con la esperanza de reducir los efectos cardiacos secundarios por estimulación de los receptores adrenérgicos β₁ (cap. 12). Por el contrario, el uso de antagonistas selectivos β₁ reduce la posibilidad de broncoconstricción en pacientes que reciben tratamiento por hipertensión o angina (caps. 12 y 27). El incremento de la selectividad de un fármaco en tejidos o entre las respuestas desencadenadas por un tejido único pueden determinar si los beneficios terapéuticos de un fármaco sobrepasan sus efectos indeseables.

Dimerización de receptores. Las interacciones receptor-ligando solas no regulan toda la señalización de GPCR. Los GPCR sufren homodimerización y heterodimerización y tal vez oligomerización. La heterodimerización puede producir unidades de receptor con farmacología alterada en comparación con los receptores individuales. Como ejemplo, los receptores de opioides pueden existir como homodímeros para receptores μ o δ o como heterodímeros μδ con propiedades farmacodinámicas diferentes que cualquiera de los homodímeros (cap. 18). Está surgiendo evidencia de que la dimerización de receptores puede regular la afinidad y especificidad de los complejos ligando-receptor para proteínas G y puede regular la sensibilidad del receptor a la fosforilación por cinasas de receptores y al unirse a la arrestina, sucesos clave en la terminación de la acción de agonistas y la eliminación de receptores de la superficie celular. La dimerización también puede permitir la unión de receptores a otras proteínas reguladoras como los factores de transcripción. Así, los sistemas de receptor-proteínas G-sistemas efectores son redes complejas de interacciones convergentes y divergentes que incluyen acoplamiento receptor-receptor y receptor-proteínas G lo que permite una regulación extremadamente versátil y la función celular. La dimerización de receptores únicos que abarcan toda la membrana es fundamental para su activación (que se describe más adelante en este capítulo).

Proteínas G. Los GPCR se acoplan a una familia de proteínas reguladoras heterotriméricas que se unen a GTP conocidas como proteínas G. Las proteínas G son transductores de señales que transmiten la información de que el agonistas se une a su receptor, desde el receptor a una o más proteínas efectoras (Gilman, 1987). Los efectores regulados por la proteína G incluyen enzimas como la adenililciclasa, fosfolipasa C, cGMP fosfodiesterasa (PDE6) y conductos iónicos de membrana selectivos para Ca²⁺ y K⁺ (cuadro 3-1, fig. 3-8). La proteína G heterotrimérica está compuesta de una subunidad α unida a un nucleótido guanina, lo que le confiere especificidad para el reconocimiento de receptores y efectores y un dímero asociado de las subunidades β y γ que ayuda a conferir la localización de la membrana del heterodímero de la proteína G por prenilación de las subunidades γ. En el estado basal del complejo receptor-heterotrímero, la subunidad α contiene GDP y el complejo α-GDP:βγ está unido al receptor sin ligando (fig. 3-8). La familia de las proteínas G está constituida por 23 subunidades α (que son producto de 17 genes), siete subunidades β y 12 subunidades γ. Las subunidades alfa (G_s, G_i, G_q, y G_12/13) que participan en el acoplamiento de GPCR con efectores relativamente distintos. Las subunidades G_s α activan de manera uniforme la adenililciclasa; las subunidades G_i α pueden inhibir ciertas isoformas de adenililciclasa; las subunidades G_q α activan todas las formas de fosfolipasa Cβ y las subunidades G_12/13 α se acoplan cofactores de intercambio del nucleótido guanina (GEF, guanine nucleotide exchange factors) como p115RhoGEF para las proteínas pequeñas unidas a GTP Rho y Rac. La especificidad de señalización de un gran número de posibles combinaciones β y γ no está clara; sin embargo, se sabe que los conductos de K⁺ y Ca²⁺ así como la cinasa PI-3 (PI3K) son algunos de los efectores del dímero libre βγ (fig. 3-8).

Activación de proteína G. Cuando un agonista se une a un GPCR, hay un cambio conformacional en el receptor que se transmite del sitio de unión de ligando a una segunda y tercera asas intracelulares del receptor que se acoplan con el heterotrímero de proteína G. Este cambio conformacional causa que la subunidad α intercambie su unión de GDP por GTP (fig. 3-8). La unión a GTP activa a la subunidad α y produce la liberación del dímero βγ y del receptor y tanto la subunidad α unida a GTP como el heterodímero βγ se vuelven moléculas de señalización activa (Gilman, 1987). La interacción del GPCR unido al agonista con la proteína G es transitoria; después de la activación de una proteína G, se libera el receptor para interactuar con otra proteína G. Dependiendo de la naturaleza de la subunidad α activa, la unida a GTP forma sitios de unión con efectores como adenililciclasa y las regulan (a través de G_sα) o fosfolipasa Cβ (a través de G_qα). La subunidad βγ puede regular muchos efectores lo que incluye conductos iónicos y enzimas como PI3-K (fig. 3-8). La proteína G permanece activa hasta que el GTP unido a la subunidad α sufre hidrólisis a GDP. La subunidad α tiene una tasa intrínseca de hidrólisis de GTP que es modulada por una familia de proteínas conocidas como reguladores de señalización de proteína G (RGS, regulators of G protein signaling). Las proteínas RGS aceleran en gran medida la hidrólisis de GTP y son en potencia objetivos farmacológicos atractivos (Ross y Wilkie, 2000). Una vez que el GTP unido a la subunidad α sufre hidrólisis a GDP, la subunidad βγ y el receptor se combinan para formar un complejo basal de receptor inactivo-proteína G heterotrimérica que puede reactivarse por otro evento de fijación de ligando (fig. 3-8).

Segundos mensajeros

cAMP. La adenililciclasa sintetiza cAMP bajo el control de muchos GPCR; la estimulación es mediada por una subunidad G_s α y la inhibición por la subunidad G_i α. La vía de cAMP proporciona buenas bases para la comprensión de la estructura y regulación de varios sistemas de señalización de segundo mensajero (para una revisión de la acción de los nucleótidos cíclicos, véase Beavo y Brunton, 2002).

Hay nueve isoformas de adenililciclasa (AC, adenylyl ciclase) unidas a membrana y una isoforma soluble que se encuentra en mamíferos (Hanoune y Defer, 2001). Las AC unidas a membrana son glucoproteínas de alrededor de 120 kDa con considerable homología en su secuencia: un pequeño dominio citoplásmico; dos dominios hidrófobos transmembrana, cada uno con seis hélices que abarcan la totalidad de la membrana y dos dominios citoplásmicos grandes. Las AC unidas a membrana muestran actividad enzimática basal que es modulada por la unión de subunidades α ligadas a GTP de proteínas G estimuladoras e inhibidoras (G_s y G_i). Es posible que existan muchas otras interacciones reguladoras y estas enzimas se clasifican con base en su homología estructural y en su regulación característica por subunidades α y βγ de proteína G, Ca²⁺, proteínas cinasas y por las interacciones del diterpeno forskolina. El cAMP generado por adenililciclasa tiene tres objetivos principales en la mayor parte de las células, el cAMP dependiente de proteínas cinasas (PKA), los factores de intercambio del nucleótido guanina regulado por cAMP conocidos como EPAC (factores de intercambio activados de manera directa por cAMP) y a través de fosforilación de PKA, un factor de transcripción conocido como CREB (elemento de respuesta de cAMP unido a proteínas). En células con funciones especializadas, el cAMP puede tener objetivos adicionales como un conductor iónico controlado por nucleótidos cíclicos (Wahl-Schott y Biel, 2009), fosfodiesterasas reguladas por nucleótidos cíclicos (PDE) y varios transportadores ABC (MRP4 y MRP 5) para los cuales es su sustrato (cap. 7).

PKA. El objetivo mejor conocido del cAMP es la holoenzima PKA que consiste de dos subunidades catalíticas (C) con unión reversible a una subunidad reguladora (R) que corresponde a un dímero para formar un complejo heterotetramérico (R₂C₂). Con concentraciones bajas de cAMP, las subunidades R inhiben las subunidades C; así, esta holoenzima es inactiva. Cuando se activa la AC y se incrementan las concentraciones de cAMP, cuatro moléculas de cAMP se unen al complejo R₂C₂, dos a cada subunidad R, produciendo un cambio conformacional en las subunidades R que disminuyen la afinidad por las subunidades C, ocasionando su activación. Las subunidades C activas producen la fosforilación de residuos de serina y treonina en sustratos proteínicos específicos.

Existen múltiples isoformas de PKA; la clonación molecular ha revelado isoformas α y β de subunidades reguladoras (RI y RII) y también tres isoformas de las subunidades C, Cα, Cβ y Cγ. Las subunidades R muestran ubicación subcelular diferente y diferentes afinidades de fijación para cAMP, dando origen a holoenzimas de PKA con diferentes umbrales para la activación (Taylor et al., 2008). Las subunidades R y C interactúan con otras proteínas en la célula, en particular las subunidades R y estas interacciones pueden ser específicas para las isoformas. Por ejemplo, las isoformas RII están muy localizadas cerca de su sustrato en las células mediante interacciones con diversas proteínas de fijación de cinasa A (AKAP, A kinase anchoring proteins) (Carnegie et al., 2009; Wong y Scott, 2004).

PKA puede fosforilar diversos objetivos fisiológicos como enzimas metabólicas y proteínas transportadoras y numerosas proteínas reguladoras lo que incluye otras proteínas cinasas, conductos iónicos y factores de transcripción. Por ejemplo, la fosforilación de la proteína de unión al elemento de respuesta de cAMP, CREB en la serina 133 repercute en las proteínas unidas a CREB (CBP, CREB-binding protein) una acetil transferasa de histona que interactúa con la RNA polimerasa II (POLII) y ocasiona incremento en la transcripción de aproximadamente 105 genes que contienen el elemento de respuesta a cAMP (CRE, cAMP response element) en sus regiones promotoras (p. ej., tirosina hidroxilasa, iNOS, AhR, angiotensinógeno, insulina, receptor de glucocorticoides, BC12 y CFTR) (Mayr y Montminy, 2001; Sands y Palmer, 2008).

Factores de intercambio del nucleótido de guanina regulado por cAMP (GEF). Las proteínas pequeñas unidas a GTP son GTPasas monoméricas y reguladoras fundamentales de la función celular. Las GTPasas pequeñas operan como interruptores binarios que existen en conformaciones unidas a GTP o GDP. Ellas integran señales extracelulares provenientes de los receptores de membrana con cambios citoesqueléticos y activación de diversas vías de señalización, regulando procesos tales como fagocitosis, progresión a través del ciclo celular, adhesión celular, expresión génica y apoptosis (Etienne-Manneville y Hall, 2002). Varios estímulos extracelulares producen señales a GTPasas pequeñas de manera directa o a través de segundos mensajeros como cAMP.

Por ejemplo, muchas GTPasas pequeñas son reguladas por GEF, los cuales actúan al unirse a la ATPasa ligada a GDP y catalizar intercambio de GDP por GTP. Los dos GEF regulados por cAMP son capaces de activar a miembros de la familia Ras de GTP pequeños, Rap1 y Rap2; estos GEF se denominan proteínas de intercambio activadas por cAMP (EPAC-1 y EPAC-2). La vía EPAC proporciona un sistema efector adicional para la señalización por cAMP y la acción farmacológica que puede actuar de manera independiente o en cooperación con PKA (Cheng et al., 2008; Roscioni et al., 2008).

PKG. La estimulación de receptores que incrementa las concentraciones intracelulares de cAMP (fig. 3-11) ocasiona activación de la proteína cinasa dependiente de cGMP (PKG) que fosforila algunos de los sustratos en la forma en que lo hace PKA y algunos son específicos de PKG. En algunos tejidos, PKG también puede ser activado por cAMP. A diferencia de la estructura de heterotetrámero (R₂C₂) de la holoenzima PKA, el dominio catalítico y el dominio de unión a nucleótidos cíclicos de PKG se expresan como un solo polipéptido, el cual se dimeriza para formar la holoenzima PKG.

PKG existe en dos formas homólogas, PKG-I y PKG-II. PKG-I tiene un extremo acetilado amino terminal y está asociado con el citoplasma y posee dos isoformas (Iα y Iβ) que se originan por corte y empalme alternativo. PKG-II tiene un extremo amino terminal miristilado que está asociado con la membrana y puede localizarse por proteínas de fijación a PKG en una forma análoga la que se conoce para PKA, aunque tales dominios de fijación de PKA y PKG son muy diferentes desde el punto de vista estructural. Los efectos de importancia farmacológica del incremento de las concentraciones de cGMP incluyen la modulación de la activación plaquetaria y la relajación del músculo liso (Rybalkin et al., 2003).

PDE. Las fosfodiesterasas de nucleótidos cíclicos forman otra familia de proteínas de señalización importantes, cuyas actividades se regulan a través de la tasa de transcripción génica y por segundos mensajeros (nucleótidos cíclicos o Ca²⁺) e interacción con otras proteínas de señalización como arrestina β y otras proteínas cinasas. La PDE causa hidrólisis de enlaces fosfodiéster 3′,5′ cíclico en cAMP y en cGMP, con lo que termina su acción.

Las enzimas comprenden una superfamilia con más de 50 proteínas PDE diferentes divididas en 11 subfamilias con base en la secuencia de aminoácidos, especificidad de sustrato, propiedades farmacológicas y regulación alostérica (Conti y Beavo, 2007). Las PDE comparten un dominio catalítico conservado en el extremo carboxilo terminal, así como dominios reguladores y dominios objetivo que localizan una enzima dada a un compartimiento celular específico. Las especificidades de sustrato de las diferentes PDE incluyen aquellos específicos para la hidrólisis de cAMP, hidrólisis de cGMP y algunos que hidrolizan ambos nucleótidos cíclicos. Las PDE (principalmente la forma PDE3) son fármacos utilizados para el tratamiento de enfermedades como el asma, enfermedades cardiovasculares como la insuficiencia cardiaca, ateroesclerosis coronaria y enfermedad arterial periférica y algunos trastornos neurológicos. Los inhibidores de PDE5 (p. ej., sildenafil) se utilizan en el tratamiento de la enfermedad pulmonar obstructiva crónica y disfunción eréctil. Al inhibir PDE5, estos fármacos incrementan la acumulación celular de cGMP en el músculo liso de los cuerpos cavernosos, con lo que incrementan su relajación y mejoran su capacidad de ingurgitación (Mehats et al., 2002).

Otros segundos mensajeros

Ca²⁺. El calcio es un mensajero importante en todas las células y puede regular diversas respuestas, lo que incluye expresión génica, contracción, secreción, metabolismo y actividad eléctrica. El Ca²⁺ puede entrar a la célula a través de los conductos de Ca²⁺ en la membrana plasmática (véase la sección “Conductos iónicos”, más adelante) o puede ser liberado por hormonas o factores de crecimiento de su almacenamiento intracelular. Al conservar su función como señalizador, las concentraciones iniciales de Ca²⁺ en las células se mantienen en el intervalo de 100 n por acción de las bombas de Ca²⁺ en la membrana que expulsa Ca²⁺ hacia el espacio extracelular y una ATPasa de Ca²⁺ en el retículo sarcoplásmico (SERCA, sarcoplasmic reticulum Ca²⁺-ATPase) en la membrana del retículo endoplásmico (ER, endoplasmic reticulum) que acumula Ca²⁺ en el sitio de almacenamiento en el retículo endoplásmico/retículo sarcoplásmico.

Las hormonas y factores de crecimiento liberan Ca²⁺ de sus sitios de almacenamiento intracelular (el ER) a través de vías de señalización que inician con la activación de fosfolipasa C en la membrana plasmática, de las cuales existen dos formas primarias, PLCβ y PLCγ. Los GPCR que se acoplan a G_q o G_i activan PLCβ al activar la subunidad α de la proteína G (fig. 3-8) y liberar el dímero βγ. La subunidad unida a G_q-GTP y el dímero βγ pueden activar ciertas isoformas de PLCβ. Las isoformas de PLCγ se activan por la fosforilación de tirosina, lo que incluye la fosforilación por el receptor y por tirosinas cinasas que no están acopladas a receptores. Por ejemplo, los receptores de factores de crecimiento, como el receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGFR, epidermal growth factor receptor) son tirosinas cinasas de receptores (RTK) que se autofosforilan en los residuos de tirosina hasta que se unen con un factor de crecimiento relacionado. La fosfotirosina formada en el dominio citoplásmico de RTK es un sitio de unión para las proteínas de señalización que contienen dominios SH2, como PLCγ. Una vez que se ha reclutado al dominio SH2 de RTK, PLCγ es fosforilado/activado por acción de RTK.

Las PLC son enzimas citosólicas que se translocan hacia la membrana plasmática hasta la estimulación del receptor. Cuando se activan, hidrolizan un fosfolípido menor de membrana, el fosfatidilinositol-4,5-difosfato para generar dos señales intracelulares, inositol-1,4,5-trifosfato (IP₃) y el lípido diacilglicerol (DAG, diacylglycerol). Ambas moléculas producen vías de señalización mediante la activación de familias de proteínas cinasas. El DAG activa en forma directa miembros de la proteína cinasa C (PKC). IP₃ difunde hacia el ER donde activa a los receptores IP₃ en la membrana de ER causando liberación del Ca²⁺ almacenado en el ER. La liberación de dicho ion de estas reservas intracelulares incrementa las concentraciones de Ca²⁺ en el citoplasma varias veces en el lapso de unos cuantos segundos y activa enzimas sensibles a calmodulina como fosfodiesterasas de cAMP y una familia de proteínas cinasas sensibles a Ca²⁺/calmodulina (p. ej., fosforilasa cinasa, cinasa de cadena ligera de miosina y cinasa CaM II y IV) (Hudmon y Schulman, 2002). Dependiendo de la función de la célula diferenciada, la cinasa de Ca²⁺/calmodulina y PKC pueden regular varios eventos sucesivos en las células activadas. Por ejemplo, la liberación de noradrenalina, un transmisor simpático, hacia las células de músculo liso vascular estimula a los receptores adrenérgicos α, activa la vía G_q-PLC-IP₃, desencadena la liberación de Ca²⁺ y produce contracción por estimulación de la cinasa de cadena ligera de miosina sensible a Ca²⁺/calmodulina para producir fosforilación de la subunidad reguladora de la miosina, una proteína contráctil.

El calcio liberado del retículo endoplásmico por estimulación de IP₃ es recapturado y llena las reservas del RE de Ca²⁺ lo que es regulado por un grupo de nuevos conductos de Ca²⁺. El receptor de IP₃ es un conducto de calcio controlado por ligando que se encuentra en altas concentraciones en la membrana del ER (Patterson et al., 2004). Es una proteína grande de casi 2 700 aminoácidos con tres dominios principales. La región amino terminal contiene el sitio de unión de IP₃ y en la región media se encuentra un dominio regulador que puede sufrir fosforilación por diversas proteínas cinasas, lo que incluye PKA y PKG. La región carboxilo terminal contiene seis hélices que abarcan la membrana y que forman el polo de Ca²⁺. El conducto funcional está formado por cuatro subunidades dispuestas como tetrámero. Además de IP₃, que estimula de manera notable el flujo de Ca²⁺, los conductos de IP₃ están regulados por Ca²⁺ y por actividad de PKA y PKG. Las concentraciones de Ca²⁺ en el intervalo de 100 a 300 nmol incrementa la liberación de Ca²⁺, pero concentraciones cercanas a 1 µmol inhiben la liberación, lo que puede crear patrones oscilatorios de la liberación de Ca²⁺ en ciertas células. La fosforilación del receptor IP₃ por PKA incrementa la liberación de Ca²⁺, pero la fosforilación de una proteína accesoria, IRAG, por acción de PKG inhibe la liberación de Ca²⁺. En el músculo liso, este efecto de PKG representa parte del mecanismo por el cual el cGMP relaja el tono vascular. En el músculo estriado y cardiaco, ocurre liberación de Ca²⁺ de las reservas intracelulares (el retículo sarcoplásmico) a través de un proceso conocido como liberación de Ca²⁺ inducido por Ca²⁺ que es mediada principalmente por el receptor rianodina (RyR). La entrada de Ca²⁺ en el miocito cardiaco o estriado a través de conductos de Ca²⁺ de tipo L causa cambios de conformación en el receptor de rianodina lo que induce la liberación de grandes cantidades de Ca²⁺ hacia el sarcoplasma. Los fármacos que inhiben RyR incluyen dantroleno.

El calcio liberado hacia el citoplasma desde el ER es retirado con rapidez por bombas de Ca²⁺ en la membrana plasmática y las reservas de Ca²⁺ del ER se llenan con el calcio extracelular que fluye a través de los conductos de Ca²⁺ operados por almacenamiento (SOC, store-operated Ca²⁺) en la membrana plasmática. Estas corrientes se conocen como corrientes activadas por la liberación de Ca²⁺ o I_CRAC. El mecanismo por el cual las reservas agotadas en el ER abren los conductos operados por almacenamiento precisa de dos proteínas, el conducto mismo, conocido como Orai1, y un sensor del RE denominado STIM1. El primero es una proteína de 33 kDa con cuatro hélices que abarcan la membrana y que no tienen homología con otros conductos de Ca²⁺ (Prakriya, 2009). Orai1 es muy selectivo para Ca²⁺. El extremo carboxilo terminal del conducto contiene dominios enrollados que se cree interactúan con el sensor STIM1. Este último es una proteína de 77 kDa que contiene un dominio sensor de Ca²⁺ conocida como mano EF. Este dominio se ubica en el extremo amino terminal de la proteína en el interior de la membrana del ER antes que el dominio único que abarca la membrana. Existen múltiples motivos de interacciones entre proteínas en la porción media y en el extremo amino terminal de la molécula. En específico, hay dos dominios enrollados en el extremo carboxilo terminal del dominio transmembrana en STIM1 que interactúan con los dominios enrollados en el conducto Orai1. En condiciones de reposo, la proteína STIM1 presenta distribución uniforme en la membrana del retículo endoplásmico. La liberación de Ca²⁺ de las reservas del ER ocasiona dimerización de STIM1 y desplazamiento hacia la membrana plasmática, donde STIM1 y Orai1 forman grupos, abriendo el polo de Ca²⁺ y Orai1 llena de nuevo las reservas de Ca²⁺ en el ER (Fahrner et al., 2009).

Conductos iónicos

La bicapa lipídica de la membrana plasmática es impermeable a aniones y cationes, por cambios en el flujo de iones a través de la membrana plasmática que son eventos reguladores críticos en células excitables y no excitables. A fin de establecer y conservar los gradientes electroquímicos necesarios para mantener el potencial de membrana, todas las células expresan transportadores iónicos para Na⁺, K⁺, Ca²⁺, y Cl⁻. Por ejemplo, la bomba de Na⁺,K⁺-ATPasa consume ATP para expulsar Na⁺ de la célula y K⁺ hacia el interior de la misma. Los gradientes electroquímicos establecidos de esta manera son utilizados por los tejidos excitables (como tejido nervioso y muscular) para generar y transmitir impulsos eléctricos a través de células no excitables a fin de desencadenar eventos bioquímicos y secretores y por células para sostener diversos mecanismos de transporte paralelo y antiparalelo (cap. 5).

Los flujos pasivos de iones siguiendo gradientes electroquímicos están regulados por una gran familia de conductos iónicos ubicados en la membrana. Los seres humanos expresan casi 232 conductos iónicos distintos para regular con precisión el flujo de Na⁺, K⁺, Ca²⁺, y Cl⁻ a través de la membrana celular (Jegla et al., 2009). Por su participación como reguladores en la función celular, tales proteínas son objetivos farmacológicos importantes. Las diversas familias de conductos iónicos pueden dividirse en subfamilias con base en los mecanismos de abertura de los conductos, su estructura y los iones que transportan. También pueden clasificarse como activados por voltaje, activados por ligando, activados por almacenamiento, activados por estiramiento y activados por temperatura. A continuación se mencionan ejemplos de conductos que son objetivos farmacológicos de importancia.

Conductos controlados por voltaje. Los seres humanos expresan múltiples isoformas de conductos controlados por voltaje para iones de Na, K⁺, Ca²⁺ y Cl⁻. En células nerviosas y musculares, los conductos de sodio más controlados por voltaje son los causantes de la generación de potenciales de acción que despolarizan la membrana desde su potencial de reposo de −70 mV hasta +20 mV en unos cuantos milisegundos. Tales conductos están compuestos por tres subunidades, una subunidad α formadora de poros y dos subunidades β reguladoras. La subunidad α es una proteína de 260 kDa que contiene cuatro dominios que forman un poro selectivo para Na⁺ y que están dispuestos en forma de un seudotetrámero. Las subunidades β son proteínas de alrededor de 36 kDa que abarcan la membrana una sola ocasión (fig. 3-9A). Cada dominio de la subunidad α contiene seis hélices que abarcan la membrana (S1 a S6) con un asa extracelular entre S5 y S6, conocida como asa P o formadora de poros; el asa P desciende hacia el polo y, en combinación con los residuos del asa P correspondiente de los otros dominios, proporciona un filtro selectivo para el ion Na⁺. Otras cuatro hélices rodean el poro (una hélice S4 de cada uno de los dominios), contienen un grupo de aminoácidos cargados que forman el sensor de voltaje y que producen un cambio conformacional en el polo a voltajes más positivos, lo que da origen a la abertura del poro y la despolarización de la membrana (Purves y McNamara, 2008). Los conductos de Na⁺ activados por voltaje en neuronas de dolor son objetivo para los anestésicos locales como lidocaína y tetracaína, los cuales bloquean los poros, inhiben la despolarización y de esta forma bloquean la sensación de dolor. También son objetivos para las toxinas marinas naturales, tetrodotoxina y saxitoxina (cap. 20). Los conductos de Na⁺ activados por voltaje son objetivos importantes para muchos fármacos utilizados para el tratamiento de arritmias cardiacas (cap. 29).

Los conductos de Ca²⁺ controlados por voltaje tienen una estructura similar a los conductos de Na⁺ controlados por voltaje, con subunidades α grandes (cuatro dominios de seis hélices que abarcan la membrana) y tres subunidades reguladoras (subunidades β, δ y γ). Existen múltiples isoformas de los conductos que tienen expresión amplia en células nerviosas, cardiacas y de músculo liso. Los conductos de Ca²⁺ pueden iniciar el potencial de acción (como en las células de marcapaso en el corazón), pero más a menudo responden a la modificación de la forma y duración del potencial de acción iniciado por conductos rápidos de Na⁺ controlados por voltaje (Purves y McNamara, 2008). Tales conductos inician la entrada de Ca²⁺ a la célula lo que estimula la liberación de neurotransmisores en los sistemas nerviosos central, entérico y autonómico y controlan la frecuencia cardiaca y conducción de impulsos en el tejido cardiaco (caps. 8, 14 y 27). Los conductos de Ca²⁺ controlados por voltaje de tipo L están sujetos a regulación adicional a través de fosforilación por PKA. Así, cuando el sistema nervioso simpático libera noradrenalina hacia los receptores adrenérgicos β en el tejido cardiaco, se incrementan las concentraciones de cAMP y se activa PKA y los conductos fosforilados de tipo L permiten un mayor flujo de Ca²⁺ hacia el citoplasma, lo que incrementa la fuerza de contracción. Los conductos de Ca²⁺ controlados por voltaje que se expresan en el músculo liso regulan el tono vascular; la concentración intracelular de Ca²⁺ es decisiva para regular el estado de fosforilación del aparato contráctil a través de la actividad de la cinasa de cadena ligera de miosina sensible a Ca²⁺/calmodulina. En consecuencia, los antagonistas de los conductos de Ca²⁺ como nifedipina, diltiazem y verapamilo no son vasodilatadores eficaces y se utilizan ampliamente para el tratamiento de la angina, arritmias cardiacas e hipertensión.

Los conductos de K⁺ controlados por voltaje se encuentran entre los miembros más numerosos y con mayor diversidad estructural entre la familia de conductos controlados por voltaje. Los seres humanos expresan alrededor de 78 conductos diferentes para K⁺ y casi la totalidad de ellos están controlados por voltaje (Jegla et al., 2009). Los conductos de K_v controlados por voltaje forman conductos en forma de tetrámeros con topología similar a la de los conductos de Na⁺ y Ca²⁺, pero en vez de contar con cuatro dominios, están formados por cuatro subunidades separadas cada una de las cuales incorpora seis dominios que abarcan la membrana. Las subunidades de los conductos de K⁺ rectificadores de entrada sólo contienen dos dominios que abarcan la membrana y que rodean el poro. En cada uno de los casos, los conductos originales son un tetrámero formado por cuatro subunidades individuales. Un grupo final de conductos de K⁺ es el grupo de dos dominios de poros conocidos como conductos de K⁺ “con fuga”; cada subunidad en este grupo tiene cuatro dominios que abarcan la membrana y que rodean dos asas P y éstas forman conductos como dímeros. Los conductos de rectificación de entrada y los conductos de dos poros no son sensibles al voltaje y están regulados por proteínas G y por iones H⁺ y son estimulados en gran medida por anestésicos generales. Todos estos conductos se expresan en tejido nervioso, cardiaco, músculo liso y estriado y en tejidos no excitables. El incremento en la conductancia de K⁺ a través de estos conductos hace que el potencial de membrana sea más negativo; así, dichos conductos son importantes en la regulación del potencial de membrana en reposo y modifican el potencial en reposo de membrana de −70 a −90 mV después de la despolarización. Algunas formas de epilepsia son causadas por mutaciones naturales en los conductos K_v y fármacos como la retigabina, que favorecen la abertura de los conductos de K_v y se encuentran bajo estudio para el tratamiento de la epilepsia (Rogawski y Bazil, 2008). El conducto cardiaco KCNH2, conocido como hERG (human ether-a-go-go-related gene) es causante de un trastorno hereditario bien conocido, el síndrome de QT largo (inducido por fármacos). Éste es el objetivo primario de muchos fármacos antiarrítmicos que prolongan la repolarización.

Conductos controlados por ligando. Los conductos activados por la unión de ligandos a un sitio específico en una proteína de conducto tienen estructura diversa y constituyen un grupo diverso de ligandos. Los principales conductos controlados por ligando en el sistema nervioso central son aquellos que responden a neurotransmisores excitadores como la acetilcolina o glutamato (o agonistas como AMPA y NMDA) y neurotransmisores inhibidores como glicina o ácido gamma amino butírico (GABA, γ-aminobutyric acid) (Purves y McNamara, 2008). La activación de estos conductos es la causante de la mayor parte de la transmisión sináptica por neuronas tanto en el SNC como en la periferia (caps. 8, 11 y 14). Además, hay otros conductos iónicos más especializados que se activan por moléculas pequeñas intracelulares y que son distintos desde el punto de vista estructural de los conductos iónicos convencionales controlados por ligando. Éstos incluyen los conductos iónicos que son miembros formales de la familia K_v, como la hiperpolarización de los conductos controlados por cAMP (HCN, hyperpolarization and cAMP-gated) expresados en el corazón (Wahl-Schott y Biel, 2009) y que son los causantes de la despolarización lenta que se observa en la fase 4 de los potenciales de acción en las células de los nodos AV y SA (cap. 29) y en los conductos controlados por nucleótidos cíclicos (CNG, cyclic nucleotide-gated) que son importantes para la visión (cap. 64). La categoría de moléculas pequeñas intracelulares de los conductos iónicos también incluye conductos de Ca²⁺ sensibles a IP₃ y que son los causantes de la liberación de Ca²⁺ del ER y los “receptores” de sulfonilureas (SUR1) que se asocian con los conductos K_ir6.2 para regular los conductos de K⁺ dependientes de ATP (K_ATP) en las células β del páncreas. Los conductos K_ATP son el objetivo de los hipoglucemiantes orales como las sulfonilureas y meglitinidas que estimulan la liberación de insulina de las células β del páncreas y que se emplean para el tratamiento de la diabetes tipo 2 (cap. 43). Otros conductos especializados incluyen los conductos regulados por 5-HT₃ que se expresan en diferentes nervios vagales aferentes que estimulan el vómito. El ondansetrón es un antagonista importante de los conductos controlados por 5-HT₃, que se utiliza para inhibir el vómito causado por fármacos o por enfermedades (cap. 46).

El receptor nicotínico de acetilcolina proporciona un ejemplo de los conductos iónicos controlados por ligando. Las isoformas de este conducto se expresan en el SNC, ganglios autonómicos y en la unión neuromuscular (fig. 3-9B). El conducto pentamérico consiste de cuatro subunidades diferentes (2α, β, δ, γ) en la unión neuromuscular o de dos subunidades diferentes (2α, 3β) en los ganglios autonómicos (Purves y McNamara, 2008). Cada subunidad α tiene un sitio de unión de acetilcolina idéntico; las diferentes composiciones de las otras tres subunidades entre los receptores de unión neuromuscular y neuronales explican la capacidad de antagonistas competitivos como el rocuronio para inhibir los receptores en la unión neuromuscular sin efectos en los receptores ganglionares. Esta propiedad se explota para proporcionar relajación muscular durante cirugía con la aparición de efectos secundarios mínimos de tipo autonómico (cap. 11). Cada subunidad del receptor contiene un dominio extracelular grande en el extremo amino terminal con cuatro hélices que abarcan la membrana (una de las cuales cubre el poro en el complejo ensamblado) y un asa interna entre las hélices 3 y 4 que forman el dominio intracelular del conducto. La abertura del poro en el conducto mide alrededor de 3 nm en tanto que el diámetro del ion de Na⁺ o K⁺ es de sólo 0.3 nm o menos. En consecuencia, los conductos iónicos controlados por ligando no poseen la selectividad iónica exquisita que se encuentra en la mayor parte de los conductos activados por voltaje y la activación de los receptores nicotínicos de acetilcolina permite el paso de iones Na⁺ y K⁺.

El principal transmisor excitador en la sinapsis del SNC es el glutamato. Hay tres tipos de receptores inotrópicos de glutamato (AMPA, NMDA, y kainato) denominados después que algún ligando los ha activado de manera selectiva. Tienen una distribución similar a la de los receptores nicotínicos de acetilcolina; el conducto está constituido por cinco subunidades organizadas con regiones extracelulares grandes, un poro y una cara intracelular pequeña. La activación de estos conductos con glutamato incrementa de manera notable la conductancia de Na⁺ y K⁺ ocasionando despolarización. Los receptores de NMDA son menos selectivos para los iones; la activación incrementa la conductancia de Na⁺, K⁺ y Ca²⁺ utilizando la señal de este último para eventos de señalización adicionales.

Casi una tercera parte de las sinapsis en el encéfalo son inhibidoras; los principales transmisores inhibidores son glicina y GABA. La glicina y los receptores inotrópicos de GABA_A tienen distribución similar a la del glutamato y receptores nicotínicos de acetilcolina con cinco subunidades (α, β, γ, δ y ρ), un dominio de unión de ligando y hélices formadoras de poros. La activación de sus conductos incrementa la conductancia de Cl⁻, lo que produce hiperpolarización de la membrana celular e inhibe la excitabilidad (Purves y McNamara, 2008). Los receptores de GABA_A son objetivos farmacológicos para importantes sedantes-hipnóticos como benzodiazepinas y barbitúricos y también son importantes en los mecanismos de etanol y de anestésicos generales (caps. 17, 19 y 23).

Conductos TRP. Los conductos de potencial transitorio acoplados a receptor (TRP, transient receptor potential) comprenden una superfamilia de conductos iónicos expresados de manera ubicua y que se caracterizan por su diversidad y estructura de dominios (Clapham 2003; Venkatachalam y Montell, 2007). Aunque, a la fecha, los conductos TRP no son objetivos de fármacos aprobados, existe interés significativo en desarrollar fármacos que puedan alterar la función de dichos conductos iónicos, por su participación en varios fenómenos sensoriales como dolor, temperatura, osmolaridad, tacto, olfacción, visión y audición. Tales conductos contienen múltiples dominios y pueden actuar como integradores de señales y en su mayor parte pueden ser activados por múltiples mecanismos. Hay 27 genes de conductos TRP en seres humanos, lo que representa seis familias diferentes de conductos TRP; contienen seis segmentos transmembrana y el conducto iónico funcional consiste de un complejo tetramérico. Los conductos TRP estrechamente relacionados pueden formar heterotetrámeros. Los conductos TRP son conductos catiónicos, pero al igual que otros conductos iónicos heteromultiméricos, la composición de subunidades de los conductos multiméricos puede ser la causa de varias características importantes de los conductos, lo que incluye propiedades de selectividad iónica y activación. Se sabe que los dominios intracelulares de los conductos TRP pueden incluir dominios de ankirina, dominios de proteína cinasa y dominios de ATP-ribosa pirofosfatasa. También se sabe que las mutaciones en los conductos TRP causan varias enfermedades lo que incluye hipomagnesiemia e hipocalciemia y diversos trastornos renales y enfermedades neurodegenerativas.

Receptores transmembrana vinculados con enzimas intracelulares

Las células de mamífero expresan un grupo diverso de receptores de membrana fisiológicos con dominios de fijación de ligandos extracelulares y actividad enzimática intrínseca en la superficie citoplásmica de la célula. Estas moléculas incluyen los receptores de tirosinas cinasas (RTK, receptor tyrosine kinases) como el factor de crecimiento epidérmico (EGF, epidermal growth factor) y los receptores de insulina, que presentan actividad de tirosinas cinasas intrínsecas en el dominio citoplásmico del receptor; los receptores asociados tirosina cinasa sin actividad enzimática, como los receptores de interferón gamma, que reclutan tirosina cinasa citoplásmica de tipo Janus (JAK, Janus tyrosine kinases); serina-treonina cinasas como el receptor de TGF-β y los receptores asociados con otras actividades enzimáticas como los receptores para péptidos natriuréticos, que tienen actividad de guanilato ciclasa citoplásmica y que producen un segundo mensajero soluble, el cGMP (véase la siguiente sección). Los receptores que participan en la inmunidad innata, los receptores tipo Toll, y aquellos para el factor de necrosis tumoral (TNF-α), tienen diversas características en común con los receptores JAK-STAT.

Receptores de tirosina cinasa. Los receptores de tirosina cinasa incluyen receptores para hormonas como insulina, varios factores de crecimiento como EGF, factor de crecimiento derivado de las plaquetas (PDGF, platelet-derived growth factor), factor de crecimiento nervioso (NGF, nerve growth factor), factor de crecimiento de los fibroblastos (FGF, fibroblast growth factor), factor de crecimiento del endotelio vascular (VEGF, vascular endothelial growth factor) y efrinas. Con la excepción del receptor de insulina, que tiene cadenas α y β (capítulo 43) estas moléculas consisten de cadenas polipeptídicas únicas con grandes dominios extracelulares ricos en cisteína, dominios transmembrana cortos y una región intracelular que contiene un dominio de proteína tirosina cinasa (dos, en algunos casos). La activación de receptores de factores de crecimiento ocasiona la supervivencia de la célula, proliferación celular y diferenciación. La activación de los receptores de efrina produce una angiogénesis neuronal, migración y guía axonales (Ferguson, 2008; Hubbard y Till, 2000).

El estado inactivo de los receptores de factores de crecimiento es en forma de monómero; la unión de ligando induce dimerización del receptor y fosforilación cruzada de los dominios de cinasa en múltiples residuos de tirosina. Algunos residuos de tirosina se encuentran en el asa de activación de la cinasa y su fosforilación sirve para la activación adicional del receptor de cinasa (fig. 3-10 A). La fosforilación de otros residuos de tirosina forma sitios de fijación para los dominios SH2 contenidos en un gran número de proteínas de señalización (Ferguson, 2008). Hay más de 100 proteínas codificadas en el genoma que contienen dominios SH2 y después de la activación del receptor, se forman grandes complejos de señalización en el receptor que finalmente producen la proliferación celular. Las moléculas se reclutan por proteínas que contienen fósforo tirosina en sus dominios SH2 lo que incluye PLCγ que incrementa la concentración intracelular de Ca²⁺ y activa PKC como se describió antes. Las isoformas α y β de la fosfatidilinositol 3-cinasa (PI3-K) contienen dominios SH2, el punto de fijación en el receptor fosforilado es activado con lo que se incrementan las concentraciones de fosfatidilinositol 3,4,5 trifosfato (PIP₃), una molécula que forma otras clases de sitios de fijación en la membrana plasmática para moléculas de señalización como proteína cinasa B (PKB, también conocida como Akt). PKB puede regular el objetivo de la rapamicina (mTOR) en varias vías de señalización y de la proteína Bad que es importante en la apoptosis.

Además del reclutamiento de enzimas, las proteínas que presentan fosfotirosina pueden atraer moléculas adaptadoras que contienen dominios SH2 sin actividad como Grb2, que a su vez atraen factores de intercambio de nucleótido de guanina (GEF, guanine nucleotide exchange factors) como Sos que pueden activar pequeñas proteínas de fijación a GTP. Las proteínas pequeñas de fijación a GTP como Ras y Rho pertenecen a una gran familia de GTPasas monoméricas; sólo los miembros de las subfamilias Ras y Rho son activados por receptores extracelulares. La familia Ras incluye cuatro isoformas: H-ras, K-ras, n-ras y Rheb (activada por el receptor de insulina). Las mutaciones de activación espontánea en Ras explican una gran proporción de los cánceres en humanos; así, las moléculas que inhiben Ras son de gran interés en la quimioterapia contra el cáncer. La familia Rho incluye Rho, Rac y Cdc42, que son causantes de la repetición de señales de la membrana al citoesqueleto. Todas las GTPasas pequeñas activadas por GEF están reguladas por diversos mecanismos y son inhibidas por proteínas que activan a la GTPasa (GAP, GTPase activating proteins) (Etienne-Manneville y Hall, 2002).

La activación de miembros de la familia Ras ocasiona a su vez activación de la cascada de proteína cinasa denominada vía de proteína cinasa activada por mitógeno (MAP, MAPK). La activación de la vía MAPK es una de las principales vías utilizadas por los receptores de factores de crecimiento para enviar señales al núcleo y estimular el crecimiento celular. La primera enzima en la vía es Rap que es una cinasa de cinasa de cinasa MAP (MKKK, MAP kinase kinase kinase). Rap fosforila y activa la cinasa de cinasa MAP (MKK) denominada MEK, que causa la fosforilación de la cinasa de MAP denominada ERK; esta última es un miembro interesante de la familia de cinasas, pues su activación se logra por fosforilación en un espacio donde coexisten residuos de tirosina y treonina en el asa de activación de cinasa. ERK produce la fosforilación de varios factores de transcripción en el núcleo, lo que incluye Elk-1 y CREB para regular la transcripción génica y causar la proliferación celular (Manning y Davis, 2003). Los fármacos que actúan sobre esta familia de receptores incluyen insulina para el tratamiento de la diabetes mellitus e imatinib, una molécula pequeña inhibidora de la proteína cinasa diseñada para inhibir tirosinas cinasas acopladas o no a receptores. El imatinib se utiliza para el tratamiento de la leucemia mielógena crónica y varios tumores sólidos con pérdida de la regulación de la tirosina cinasa.

Vías de receptor JAK-STAT. Las células expresan una familia de receptores para citocinas como interferón gamma y hormonas como hormona de crecimiento y prolactina, las cuales envían señales hacia el núcleo en forma más directa que los receptores de tirosina cinasa. Tales receptores no tienen actividad enzimática intrínseca, más bien se unen a dominios intracelulares separados, una tirosina cinasa intracelular conocida como cinasa Janus (JAK). Cuando se induce dimerización por la fijación de un ligando, JAK causa la fosforilación de otras proteínas conocidas como transductores de señales y activadores de transcripción (STAT, signal transducers and activators of transcription) que se translocan hacia el núcleo y regulan la transcripción (fig. 3-10B). Toda la vía se conoce como vía JAK-STAT (Gough et al., 2008; Wang et al., 2009). Hay cuatro JAK y seis STAT en mamíferos, lo que depende del tipo de señalización celular, cuyas diferentes combinaciones activan la transcripción de genes. Por ejemplo, la prolactina aparece al utilizar JAK1, JAK2, y STAT5 para estimular la producción de leche.

Receptores de serina-treonina cinasas. Los ligandos de tipo proteínico como TGF-β activan una familia de receptores que son análogos a los receptores de tirosina cinasa con excepción de que tienen dominios de serina/treonina cinasa en la región citoplásmica de la proteína. Hay dos isoformas de proteínas receptoras monoméricas, las de tipo I (siete formas) y las de tipo II (cinco formas). En estado basal, tales proteínas existen como monómeros; al momento de la unión del ligando agonista, se dimerizan y dan origen a la fosforilación del dominio de cinasa del monómero tipo I, que activa al receptor. El receptor activado sufre fosforilación de una proteína reguladora de genes conocida como Smad. Hay múltiples Smad en las células; una vez que es fosforilada por el receptor activado del residuos de serina, Smad se disocia del receptor, migra hacia el núcleo y se asocia con factores de transcripción y regula genes que ocasionan morfogénesis y transformación. También existen Smad inhibidoras (isoformas Smad6 o Smad7) que compiten con las Smad fosforiladas para terminar la señalización.

Receptores tipo Toll. La señalización relacionada con el sistema inmunitario innato se lleva a cabo por una familia de más de 10 receptores de membrana conocidos como receptores tipo Toll (TLR, Toll-like receptors) que tienen expresión elevada en células hematopoyéticas. En una sola cadena polipeptídica, dichos receptores contienen un gran dominio extracelular de fijación de ligandos, un dominio corto que abarca la membrana y una región citoplásmica conocida como dominio TIR que carece de actividad enzimática intrínseca. Los ligandos para TLR abarcan múltiples productos de patógenos entre los que se incluyen lípidos, peptidoglucanos, lipopéptidos y virus. La activación de estos receptores produce una respuesta inflamatoria a los microorganismos patógenos. Al igual que todos los receptores que abarcan la membrana, el primer paso en activación de TLR por ligandos es la dimerización, que a su vez causa que se unan proteínas de señalización a los receptores para formar un complejo de señalización.

La dimerización inducida por ligando recluta una serie de proteínas adaptadoras lo que incluye a la proteína Mal de la proteína de diferenciación mieloide 88 (MyD88) hacia los dominios intracelulares TIR, que a su vez reclutan cinasas relacionadas con interleucinas conocidas como IRAK; estas últimas sufren autofosforilación en el complejo y más tarde forman un complejo más estable con MyD88. La fosforilación también recluta TRAF6 al complejo, lo que facilita la interacción con la ubiquitina ligasa que une a la molécula de poliubiquitina con TRAF6. Este complejo puede interactuar con la proteína cinasa TAK1 y el adaptador TAB1. TAK1 es un miembro de la familia de cinasas MAP que activa las cinasas NF-κB; la fosforilación de factores de transcripción NF-κB causa la translocación hacia el núcleo y la activación transcripcional de diversos genes inflamatorios (Gay y Gangloff, 2007).

Receptores de TNF-α. El mecanismo de acción del factor de necrosis tumoral α (TNF-α) para la señalización al factor de transcripción NF-κB es muy similar al utilizado por los receptores tipo Toll en el dominio intracelular del receptor que no tiene actividad enzimática. El receptor TNF-α es otro receptor de membrana con un dominio de fijación extracelular del ligando, un dominio transmembrana y un dominio citoplásmico conocido como dominio de muerte.

TNF-α se une a un complejo compuesto por el receptor 1 de TNF y el receptor 2 de TNF. Hasta la trimerización el dominio de muerte se une a la proteína adaptadora TRADD, que recluta la proteína 1 de interacción con el receptor (RIP1, receptor interacting protein 1) para formar un complejo receptor y un adaptador en la membrana. RIP1 está poliubiquinado, lo que ocasiona el reclutamiento de la cinasa TAK1 y de la cinasa IκB (IKK) a las moléculas ubiquitinadas (Skaug et al., 2009). La activación del asa IKK se fosforila en el complejo lo que finalmente causa que se libere IκBα del complejo lo que permite que el heterodímero p50/p65 del complejo sufra translocación al núcleo y active la transcripción de los genes inflamatorios (Ghosh y Hayden, 2008; Hayden y Ghosh, 2008; Kataoka, 2009). A la fecha no existen fármacos que bloqueen las porciones citoplásmicas de las vías de señalización de TNF-α; los anticuerpos monoclonales humanizados de TNF-α como infliximab y adalimumab son importantes para el tratamiento de la artritis reumatoide y de la enfermedad de Crohn (caps. 35 y 47).

Receptores que estimulan la síntesis de GMP cíclico

Las vías de señalización que regulan la síntesis de cGMP en las células incluyen regulación hormonal de las guanilato ciclasas transmembrana como el receptor del péptido auricular natriurético (ANP, natriuretic peptide receptor) y la activación de formas solubles de guanilato ciclasa por el óxido nítrico (NO). Los efectos subsiguientes del cAMP son llevados a cabo por múltiples isoformas de PKG, conductos iónicos controlados por cGMP y fosfodiesterasas moduladas por cGMP que desdoblan el cAMP (lo que se describe más adelante).

Receptores del péptido natriurético. La clase de receptores de membrana con actividad enzimática intrínseca incluye los receptores para tres ligandos peptídicos pequeños liberados de las células en los tejidos cardiacos y en el sistema vascular. Tales péptidos constituyen el péptido auricular natriurético (ANP), que se libera de sus gránulos de almacenamiento auricular después del incremento del volumen intravascular o estimulación con hormonas presoras; el péptido natriurético encefálico (BNP, brain natriuretic peptide), que se sintetiza y libera en grandes cantidades en el tejido ventricular en respuesta a la sobrecarga de volumen (pese a su nombre) y el péptido natriurético tipo C (CNP, C-type natriuretic peptide), que se sintetiza en el tejido encefálico y en las células endoteliales. Al igual que BNP, CNP no se almacena en gránulos si no que su síntesis y liberación se incrementan por acción de factores de crecimiento y la presión sobre las células del endotelio vascular (Potter et al., 2009). Los principales efectos fisiológicos de estas hormonas son disminución de la presión arterial (ANP, BNP) para reducir la fibrosis e hipertrofia cardiacas (BNP) y para estimular el crecimiento de los huesos largos (CNP).

Los receptores transmembrana para ANP, BNP y CNP son del tipo de guanilato ciclasas activadas por ligando. Los receptores para ANP y BNP contienen alrededor de 450 aminoácidos en un dominio extracelular en el que se fije el péptido, un dominio transmembrana corto de 20 aminoácidos y un gran dominio intracelular que contiene homología con la región de cinasa, un dominio de dimerización y un dominio de guanilato ciclasa en el extremo carboxilo terminal. La fosforilación de los residuos de serina en los dominios de cinasa es importante para la actividad; la desfosforilación de estos residuos produce desensibilización del receptor. La unión del ligando une las regiones transmembrana y estimula la actividad de la guanilato ciclasa (fig. 3-11).

El receptor de ANP (NPR-A) es la molécula que responde a ANP y BNP. La proteína se expresa en forma amplia y prominente en riñón, pulmón, tejido adiposo y células de músculo liso vascular y cardiacas. ANP y BNP participan en la conservación del estado normal del sistema cardiovascular porque los ratones con bloqueo génico de NPR-A tienen hipertensión e hipertrofia cardiaca. La nesiritida es un agonista sintético de BNP que se utiliza para el tratamiento de la insuficiencia cardiaca descompensada aguda (cap. 28). El receptor de NPR-B responde a CNP y tiene una estructura física similar al receptor de NPR-A. También se expresa ampliamente pero de manera más notable en hueso, encéfalo, riñón, pulmón, hígado y músculo liso vascular y músculo cardiaco. La participación de CNP en el hueso se sugiere porque los ratones con bloqueo génico de NPR-B muestran enanismo e hipertrofia cardiaca. El receptor C del péptido natriurético (NPR-C) tiene un dominio extracelular similar al de NPR-A y NRP-B pero no contiene la cinasa intracelular o los dominios de guanilato ciclasa. No tiene actividad enzimática y parece que su función es como receptor de eliminación, al retirar el exceso de péptido de la circulación (Potter et al., 2009).

NO sintasa y guanilato ciclasa soluble. El óxido nítrico (NO) es una señal singular; es un gas muy lábil producido de manera local en las células por la actividad de la enzima óxido nítrico sintasa (NOS); el NO resultante tiene la capacidad de estimular la forma soluble de la guanilato ciclasa para producir cGMP. Existen tres formas de NOS, NOS neuronal (nNOS u NOS1), NOS endotelial (eNOS u NOS3) y NOS inducible (iNOS o NOS2). Las tres formas de la enzima se expresan en forma amplia pero son de especial importancia en el sistema cardiovascular, donde se encuentran en los miocitos, células de músculo liso vascular, células endoteliales, hematopoyéticas y plaquetas.

La NOS produce NO mediante la catálisis de la oxidación del nitrógeno guanido de L-arginina, dando origen a L-citrulina y NO. Las enzimas requieren cofactores entre los que se incluye tetrahidrobiopterno y calmodulina. Las formas enzimáticas de nNOS y eNOS son estimuladas por Ca²⁺/calmodulina; la forma inducible es menos sensible a Ca²⁺ pero la concentración de proteínas iNOS en las células pueden incrementarse hasta 1 000 veces por un estímulo inflamatorio como endotoxinas, TNFα, interleucina-1β e interferón gamma. La capacidad del Ca²⁺ para activar eNOS y nNOS es importante en ciertas células en las cuales los neurotransmisores abren los conductos de Ca²⁺ o activan PLC lo que relaja el músculo liso. Un ejemplo es la capacidad de la ACh liberada por el sistema nervioso parasimpático para la relajación de los esfínteres. La guanilato ciclasa soluble es un heterotrímero compuesto por subunidades α y β. El extremo amino terminal de la molécula contiene un dominio hem de protoporfirina IX. El NO se une a este dominio con bajas concentraciones nanomolares y produce un incremento de 200 a 400 veces en la V_máx de la guanilato ciclasa, lo que produce elevación notable del cGMP en las células (Tsai y Kass, 2009).

Los efectos celulares del cGMP en el sistema vascular son mediados por diversos mecanismos, pero en especial por PKG. Por ejemplo, en el músculo liso vascular la activación de PKG produce vasodilatación por:

• Inhibición de la liberación de Ca²⁺ de las reservas intracelulares mediada por IP₃ de las reservas intracelulares.

• Fosforilación de los conductos de Ca²⁺ controlados por voltaje e inhiben la entrada de Ca²⁺.

• Fosforilación del fosfolambano, un modulador de la bomba sarcoplásmica de Ca²⁺, lo que produce una recaptación más rápida de Ca²⁺ en las reservas intracelulares.

• Fosforilación y abertura de los conductos de K⁺ activados por Ca²⁺ lo que produce hiperpolarización de la membrana celular, que cierra los conductos de Ca²⁺ de tipo L y reduce el flujo de Ca²⁺ hacia la célula (Tsai y Kass, 2009).

En seres humanos, los receptores de hormonas nucleares comprenden una superfamilia de 48 receptores que responde a diversos grupos de ligandos. Las proteínas receptoras son factores de transcripción capaces de regular la expresión de genes que controlan numerosos procesos fisiológicos como la reproducción, desarrollo y metabolismo. Algunos miembros de la familia bien conocidos incluyen receptores para hormonas esteroideas circulantes como andrógenos, estrógenos, glucocorticoides, hormonas tiroideas y vitamina D. Otros miembros de la familia son receptores para un grupo diverso de ácidos grasos, ácidos biliares, y lípidos y metabolitos de lípidos. Estos últimos receptores funcionan como sensores del estado metabólico de la célula y responden a cambios en las moléculas disponibles en forma local (McEwan, 2009). Ejemplos incluyen diversos receptores nucleares que son importantes para inducir enzimas metabolizadoras de fármacos, como los receptores de ácido retinoico (RXR); el receptor X hepático (LXR, cuyo ligando es el colesterol 22-OH); el receptor X de farnesoide (FXR, cuyo ligando es el ácido quenodesoxicólico), y los receptores activados por proliferadores peroxisómicos (PPAR α, β, y γ; uno de los posibles ligandos para PPARγ es la 15-desoxiprostaglandina J2; los fibratos reductores de las concentraciones de colesterol se unen y regulan PPARγ). En estado inactivo, los receptores para esteroides, como los de glucocorticoides, se encuentran en el citoplasma y se translocan hacia el núcleo después de la unión al ligando. Otros miembros de la familia como los receptores de LXR y FXR residen en el núcleo y se activan por cambios en la concentración de moléculas lipídicas hidrófobas.

Los receptores de hormonas nucleares contienen cuatro dominios principales en una simple cadena polipeptídica. El dominio amino terminal puede contener una región de activación (AF-1) que es esencial para la regulación transcripcional seguida de una región muy conservada de dos dedos de cinc que se unen a DNA (dominio de unión a DNA). La región de activación amino terminal (AF-1) está sujeta a regulación por fosforilación y por otros mecanismos que estimulan o inhiben la capacidad general del receptor nuclear para activar la transcripción. El extremo carboxilo terminal de la molécula contiene una región de bisagra (que puede participar en la unión al DNA), el dominio que favorece la unión de la hormona al ligando (dominio de unión al ligando o LBD [ligand-binding domain]), y un grupo específico de residuos de aminoácidos para la unión de activadores y represores simultáneos en una segunda región de activación (AF-2). Las estructuras cristalográficas con rayos X de los receptores de hormonas nucleares muestran que el LBD se forma por un haz de 12 hélices y que la unión del ligando induce un cambio conformacional importante en la hélice 12 (Privalsky, 2004; Tontonoz y Spiegelman, 2008). Este cambio conformacional también afecta la unión a las proteínas correguladoras esenciales para la activación del complejo receptor-DNA (fig. 3-12).

Cuando se unen al DNA, la mayor parte de los receptores de hormonas nucleares actúa como dímero; algunas actúan como homodímeros y otras como heterodímeros. Los receptores de hormonas esteroideas, como los receptores de glucocorticoides, más a menudo son homodímeros, en tanto que aquellos para los lípidos son heterotrímeros con el receptor RXR. Los dímeros del receptor se unen a las secuencias repetitivas de DNA, ya sea como secuencias repetidas directas o como repeticiones invertidas, lo que se conoce como elementos de respuesta hormonal (HRE, hormone response elements) que son específicos para cada tipo de receptor (p. ej., la mitad de los sitios AGGTCA está orientado con una repetición invertida con un espaciador de tres pares de bases para el receptor de estrógenos). Los elementos de respuesta hormonal en el DNA se encuentran en dirección 5´ de los genes regulados o en algunos casos en los genes regulados mismos. Un receptor de hormona nuclear unido a un agonista a menudo activa una gran cantidad de genes para llevar a cabo la programación de la diferenciación celular o regulación metabólica. Por ejemplo, la estimulación del receptor LXR en los hepatocitos activa 29 genes e inhibe otros 14 (Kalaany y Mangelsdorf, 2006).

Una propiedad importante de estos receptores es que deben unirse a su ligando, el HRE apropiado y a un corregulador (de una familia de más de 100 proteínas correguladoras) a fin de regular los genes en los cuales ejercerán sus efectos. Existen coactivadores como la familia de coactivador del receptor de esteroides (SRC, steroid receptor co-activator), proteínas de la familia p160, CARM y CBP/p300 o PCG-1α y correpresores como el mediador de la inactivación del receptor de hormona retinoide (SMRT, silencing mediator of retinoid hormone receptor) y el correpresor del receptor de hormona nuclear (Ncor, nuclear hormone receptor corepresor) (Privalsky, 2004). La actividad de los receptores de hormona nuclear en una célula dada depende no sólo del ligando, sino de la razón de coactivadores y correpresores reclutados en el complejo. Los coactivadores reclutan enzimas al complejo de transcripción que modifica la cromatina, como las histonas acetilasas, que sirven para desenrollar el DNA para la transcripción. Los correpresores reclutan proteínas como las histonas desacetilasas, que mantienen empacado el DNA e inhiben la transcripción.

Dependiendo de la naturaleza química de la unión del ligando y la combinación de coactivadores y correpresores reclutados en el complejo, los receptores nucleares pueden regular de manera diferencial los genes donde ejercen sus funciones. Esta propiedad explica la capacidad de ciertos fármacos para actuar como moduladores selectivos de los receptores y de la expresión génica. Por ejemplo, los compuestos como el 17β-estradiol son agonistas de receptores de estrógenos en todos los tejidos, en tanto que el tamoxifeno y el raloxifeno se denominan moduladores selectivos de los receptores de estrógenos (SERM, selective estrogen receptor modulators). El tamoxifeno y el raloxifeno son agonistas parciales en los receptores de estrógenos; después de su unión, estos fármacos desencadenan conformaciones singulares del dominio de unión del ligando. Así, dependiendo del tejido específico, se unen diferentes combinaciones de coactivadores y correpresores en el complejo receptor-DNA, lo que da origen a funciones génicas selectivas. Por ejemplo, el tamoxifeno es un antagonista en tejido mamario en virtud de que recluta correpresores al complejo de factor de transcripción, pero es agonista en el endometrio porque recluta coactivadores (Riggs y Hartmann, 2003) (cap. 40).

El mantenimiento de muchos organismos requiere de la renovación continua de células. Los ejemplos incluyen las células mucosas que recubren el intestino y diversas células en el sistema inmunitario, lo que incluye linfocitos T y neutrófilos. La renovación celular requiere un equilibrio entre la supervivencia y expansión de la población celular o de la muerte y desaparición de células. Se denomina apoptosis al proceso por el cual las células están programadas genéticamente para la muerte. La apoptosis está muy regulada por reacciones bioquímicas que hacen que las células adquieran forma redondeada, disminuyan el volumen de su citoplasma, presenten condensación del núcleo y del material nuclear y se produzcan cambios en la membrana que finalmente dan origen a la presentación de fosfatidilserina en la superficie externa de la célula. Los macrófagos reconocen a la fosfatidilserina como signo de apoptosis y engloban y fagocitan la célula moribunda. Durante este proceso la membrana de la célula en apoptosis permanece intacta y no libera citoplasma o material nuclear. Así, a diferencia de la muerte celular por necrosis, el proceso de apoptosis no inicia una respuesta inflamatoria. La comprensión de las vías que regulan la apoptosis es importante porque este proceso desempeña una función importante en las células normales y porque las alteraciones en las vías de apoptosis participan en diversos procesos patológicos como cáncer y enfermedades neurodegenerativas y autoinmunitarias (Bremer et al., 2006; Ghavami et al., 2009). Así, la conservación o el restablecimiento de las vías normales de apoptosis es el objetivo de los principales esfuerzos de desarrollo de fármacos para el tratamiento de enfermedades en las que hay pérdida de la regulación de las vías de apoptosis (Fesik, 2005) y la estimulación selectiva de las vías de apoptosis podría ser de utilidad para la eliminación de células indeseadas.

Hay dos vías importantes de señalización que inducen apoptosis. La apoptosis puede iniciarse por señales externas que tienen características en común con las utilizadas por ligandos como TNF-α o por vías internas activadas por el daño al DNA, plegamiento inapropiado de proteínas o ausencia de los factores de supervivencia celular (fig. 3-13). Sin importar el modo de inicio, se lleva a cabo el programa de apoptosis por la acción de una gran familia de proteasas de cisteína denominadas caspasas. Las caspasas son proteasas citoplásmicas muy específicas que se encuentran inactivas en células normales pero que se pueden activar cuando existen señales de apoptosis (Danial y Korsmeyer, 2004; Ghobrial et al., 2005; Strasser et al., 2000).

Las vías de señalización externas de apoptosis pueden activarse por ligandos como TNF, FAS (otro miembro de la familia TNF, también denominada Apo-1) o ligando de inducción de apoptosis relacionado con TNF (TRAIL, TNF-related apoptosis-inducing ligand). Los receptores para FAS y TRAIL son receptores transmembrana sin actividad enzimática, similar a los de TNF antes descritos. Tienen grandes dominios externos de unión a ligando, dominios transmembrana cortos y dominios de muerte citoplásmica capaz de unirse a proteínas adaptadoras intracelulares. Tras la unión de TNF, FAS o TRAIL estos receptores forman un dímero que sufre cambios conformacionales y recluta proteínas adaptadoras hasta el dominio de muerte. Las proteínas adaptadoras son proteínas de unión a dominios de muerte relacionados con TNF (TRADD, TNF-associated death domain binding protein), FADD o TRAF2. Dichas proteínas adaptadoras reclutan la proteína cinasa de interacción con el receptor (RIP1) y caspasa 8 para formar un complejo de RIP1, TRADD/FADD/TRAF2 y caspasa 8, que da origen a la activación de la caspasa 8. Los receptores FAS y TRAIL reclutan diferentes adaptadores, conocidos como FADD/MORT, que son capaces de atraer y activar caspasa 8 por un proceso de desdoblamiento autoproteolítico. Sin importar los complejos que activan a la caspasa 8, la estimulación de su actividad proteolítica produce la activación de caspasa 3, que inicia el programa de apoptosis. El paso final de la apoptosis se lleva a cabo por las caspasas 6 y 7, lo que produce degradación de enzimas, proteínas estructurales y fragmentación de DNA que es característico de la muerte celular (Danial y Korsmeyer, 2004; Wilson et al., 2009) (fig. 3-13).

La vía de apoptosis interna puede activarse por señales como el daño de DNA que ocasiona la transcripción del gen p53 e implica el daño a la mitocondria por miembros proapoptóticos de la familia de proteínas Bcl-2. Esta familia incluye miembros proapoptóticos como BAX, Bak y Bad, que inducen daño a la membrana mitocondrial. También hay miembros antiapoptóticos de Bcl-2, como Bcl-2, Bcl-X y Bcl-W, que sirven para inhibir el daño mitocondrial y son reguladores negativos del sistema (Rong y Distelhorst, 2008). Cuando ocurre daño al DNA, se activa la transcripción de p53 y mantiene a la célula en un punto de verificación del ciclo hasta que se repara el daño. Si éste no puede repararse, se inicia la apoptosis a través de miembros proapoptóticos de Bcl-2, como BAX. Una vez que este último se activa, se translocasa hacia la mitocondria, supera a las proteínas antiapoptóticas e induce la liberación del citocromo c y de una proteína conocida como “segundo activador derivado de la mitocondria de la caspasas” (SMAC, second mitochondria-derived activator of caspase). El SMAC se une e inactiva a los inhibidores de las proteínas de apoptosis (IAP, inhibitors of apoptosis proteins) que en condiciones normales evita la activación de caspasa. El citocromo c se combina en el citosol con otra proteína, el factor 1 de la proteasa activadora de la apoptosis (Apaf-1, apoptotic activating protease factor-1) y con la caspasa 9. Este complejo ocasiona la activación de la caspasa 9 y por último de la caspasa 3 (Ghobrial et al., 2005; Wilson et al., 2009). Una vez que se ha activado, la caspasa 3 activa las mismas vías, descritas antes para las vías externas, dando origen al desdoblamiento de proteínas, elementos citoesqueléticos, proteínas de reparación de DNA con condensación subsiguiente de la membrana de DNA, formación de vesículas en la membrana lo que finalmente dará origen a la muerte celular y englobamiento de la célula por macrófagos (fig. 3-13).

Los receptores inician la regulación de los eventos bioquímicos y de las funciones fisiológicas además de estar sujetos ellos mismos a muchos controles homeostáticos y de regulación. Dichos controles incluyen la regulación de la síntesis y degradación del receptor, modificaciones covalentes, asociación con otras proteínas reguladoras y la reubicación dentro de la célula. Las proteínas transductoras y efectoras se regulan de forma similar. Los estímulos moduladores pueden provenir de otros receptores, ya sea de manera directa o indirecta y los receptores casi siempre están sometidos a retroalimentación por sus propias señales de salida.

La estimulación continua de las células con agonistas por lo general da origen a un estado de desensibilización (también conocido como adaptación, falta de respuesta o regulación descendente) de forma tal que disminuye el efecto después de la exposición continua o subsiguiente a la misma concentración de fármaco. Tal fenómeno, conocido como taquifilaxia ocurre con rapidez y es importante en la terapéutica; un ejemplo es la disminución de la respuesta al uso repetido de agonistas de los receptores adrenérgicos β como broncodilatadores para el tratamiento del asma (caps. 12 y 36).

La desensibilización puede dar origen a inaccesibilidad temporal del receptor al agonista o a la síntesis de menos receptores, con menos receptores disponibles en la superficie de la célula (p. ej., regulación descendente del número de receptores). La fosforilación de receptores de GPCR por cinasas específicas para GPCR (GRK, GPCR kinases) participan en la desensibilización rápida. La fosforilación de un GPCR ocupado por un agonista por acción de GRK facilita la unión de las proteínas citosólicas denominadas arrestinas al receptor, dando origen al desacoplamiento de proteína G del receptor (Moore et al., 2007). Las arrestinas β reclutan proteínas, como PDE4, que limita la señalización de cAMP, así como de clatrina y adaptina β2, que favorece el secuestro del receptor de la membrana (internalización) con lo que se proporciona el andamiaje que permite la señalización adicional. Por el contrario, la sensibilidad excesiva a los agonistas con frecuencia aparece después de la reducción crónica de la estimulación de receptores. Tales situaciones pueden aparecer después de la interrupción de un bloqueo prolongado de receptores (p. ej., administración a largo plazo de antagonistas de los receptores adrenérgicos β como el metoprolol) o en casos donde la denervación crónica de las fibras preganglionares induce un incremento en la liberación de neurotransmisor por impulso, lo que indica supersensibilidad de las neuronas posganglionares. La supersensibilidad puede ser consecuencia de la respuesta de los tejidos a estados patológicos, como ocurre en la isquemia cardiaca por la síntesis y reclutamiento de nuevos receptores a la superficie del miocito.

Parece probable que los efectos de varias clases de fármacos con actividad en el SNC dependan de cambios inducidos por agonistas y antagonistas en los sistemas de receptor-efector (caps. 14, 15 y 18).

Enfermedades ocasionadas por mal funcionamiento del receptor. La alteración de los receptores y sus efectores de señalización inmediata pueden ser la causa de la enfermedad. La pérdida de un receptor en un sistema de señalización altamente especializado puede causar un trastorno relativamente limitado o, si el cambio es espectacular, un trastorno fenotípico (p. ej., deficiencia de receptores de andrógenos y síndrome de feminización testicular; cap. 41). Las deficiencias en vías de señalización muy empleadas tienen efectos amplios como los que se observan en la miastenia grave y en algunas formas de diabetes mellitus resistente a la insulina, que son consecuencia del agotamiento autoinmunitario de receptores colinérgicos nicotínicos (cap. 11) o de receptores de insulina (cap. 43), respectivamente. La expresión de receptores hectópicos, aberrantes o activos en forma constitutiva, de efectores y de proteínas de acoplamiento pueden ocasionar supersensibilidad, subsensibilidad u otros efectos perjudiciales (Smit et al., 2007). Entre los eventos más significativos se encuentra la aparición de receptores aberrantes como productos de oncogenes que transforman células por lo demás normales en células malignas. Prácticamente cualquier tipo de sistema de señalización tiene potencial oncógeno.

Es instructivo revisar las interacciones farmacodinámicas de los ligandos fisiológicos y los fármacos que ocurren en el contexto fisiopatológico. Considérese la pared vascular de una arteriola (fig. 3-14); varios tipos de células interactúan en ese sitio, lo que incluye células de músculo liso vascular (SMC, smooth muscle cells), células endoteliales (EC, endothelial cells), plaquetas y neuronas simpáticas posganglionares. Están representados diversos receptores fisiológicos y ligandos, lo que incluye los ligandos que causan que las SMC se contraigan (angiotensina II, noradrenalina) y se relajen (óxido nítrico, péptido natriurético tipo B y adrenalina) así como ligandos que alteran la expresión génica de las SMC (factor de crecimiento derivado de las plaquetas, angiotensina II, noradrenalina y eicosanoides). También se muestran los segundos mensajeros intracelulares como Ca²⁺, cAMP y cGMP.

La angiotensina II (AngII) tiene efectos agudos y crónicos sobre las SMC. La interacción de AngII con receptores AT1 (AT1-R) causa la formación del segundo mensajero IP₃ a través de la acción de AT1-R por medio de la vía G_q-PLC-IP₃. IP₃ causa la liberación de Ca²⁺ del ER; el calcio se une y activa a la calmodulina y a su proteína objetivo, la cinasa de cadena ligera de miosina (MLCK, myosin light chain kinase). La activación de MLCK ocasiona la fosforilación de miosina, dando origen a la contracción de las células de músculo liso. La activación del sistema nervioso simpático también regula el tono de las SMC a través de la liberación de noradrenalina en las neuronas simpáticas posganglionares, afectando a las SMC. La noradrenalina se une a los receptores adrenérgicos α₁ que se acoplan a la vía G_q-PLC-IP₃, produciendo incremento de Ca²⁺ intracelular y, como consecuencia, la contracción, un efecto que es aditivo al producido por la AngII. La contracción de SMC tiene oposición por diversos mediadores fisiológicos que favorece la relajación lo que incluye el óxido nítrico (NO), péptido natriurético tipo B (BNP, B-type natriuretic peptide) y adrenalina. El NO se forma en las células endoteliales por acción de las NO sintasas, eNOS e iNOS. El NO formado en las células endoteliales difunde hacia las SMC y activa las formas solubles de guanilato ciclasa (sGC) que catalizan la formación de cGMP a partir de GTP. El incremento en el cGMP activa PKG, que fosforila los sustratos proteínicos en SMC que disminuyen las concentraciones intracelulares de Ca²⁺ por varios mecanismos diferentes entre los que se encuentran la entrada de Ca²⁺ extracelular a través de los conductos de Ca²⁺ controlados por voltaje de tipo L. Las concentraciones intracelulares de cGMP también se incrementan por la activación del receptor transmembrana de BNP (BNP-R, BNP receptor), cuya actividad de guanilato ciclasa se incrementa cuando se une BNP. BNP se libera del músculo cardiaco en respuesta al incremento de las presiones de llenado. El estado contráctil de las arteriolas se regula por diversos mediadores fisiológicos que operan a través de varias vías de transducción de señales. En individuos con hipertensión, el tono de las células de músculo liso en una arteriola puede estar elevado por encima de lo normal por uno o más cambios en los ligandos endógenos o en las vías de señalización. Esto incluye aumento de las concentraciones circulantes de AngII, incremento en la actividad del sistema nervioso simpático y disminución de la producción de NO por las células endoteliales. La farmacoterapia puede incluir uno o más fármacos que bloquean o contrarrestan los cambios fisiológicos agudos en la presión arterial así como evitar los cambios a largo plazo en la estructura de la pared vascular por estimulación de la proliferación de SMC y alteraciones en las expresiones génicas de SMC.

Los fármacos que a menudo se utilizan para el tratamiento de la hipertensión incluyen antagonistas β₁ para reducir la secreción de renina (el paso limitante en la síntesis de AngII), un inhibidor directo de la renina para bloquear la producción de AngII, inhibidores de la enzima convertidora de angiotensina (p. ej., enalapril) para reducir las concentraciones circulantes de AngII, antagonistas de los receptores AT₁ (p. ej., losartán) para antagonizar la unión de AngII a los receptores AT₁ en las SMC, antagonistas adrenérgicos α₁ para bloquear la unión de noradrenalina a las SMC, nitroprusiato sódico para incrementar las cantidades de NO producido o antagonistas de los conductos de Ca²⁺ (p. ej., nifedipina) para antagonizar la entrada de Ca²⁺ hacia las SMC. Los antagonistas β₁ también deberán bloquear el reflejo de los barorreceptores que da lugar a incremento de la frecuencia cardiaca y presión arterial desencadenada por la reducción en la presión arterial inducida por el tratamiento. Los inhibidores de la ACE también inhiben la degradación de bradicinina, un péptido vasodilatador (cap. 26). Así, las elecciones y mecanismos son complejos y el tratamiento apropiado en un paciente dado depende de muchos aspectos, lo que incluye las causas del diagnóstico de hipertensión, posibles efectos secundarios de los fármacos, eficacia en un paciente dado y el costo.

Algunos de los mediadores que causan vasoconstricción coronaria e hipertensión, como AngII y noradrenalina también tienen efectos crónicos en la pared vascular a través de mecanismos que involucran alteraciones en la expresión génica en las SMC. Tales efectos en la expresión génica pueden alterar las propiedades bioquímicas y fisiológicas de las SMC al estimular la hipertrofia, proliferación y síntesis de proteínas que remodelan la matriz extracelular. Las vías que participan en estos efectos crónicos incluyen muchas de las mismas vías utilizadas por los receptores de los factores de crecimiento, como PDGF, el cual también puede participar en la remodelación de la pared vascular que ocurre en la hiperplasia de la neoíntima relacionada con la reestenosis arterial coronaria. Uno de los efectos beneficiosos de utilizar inhibidores de la ACE y antagonistas de los receptores AT₁ en el tratamiento de la hipertensión es su capacidad para evitar el remodelamiento patológico a largo plazo de la pared vascular que es consecuencia de la activación crónica de los receptores AT₁ por AngII.