Alle afbeeldingen en figuren zijn afkomstig van colleges van het UMC Utrecht (BRON)
Topic 2: Pharmacodynamics – drug binding and effects
Introductie farmacokinetiek: outline
Hoe sterk is de binding van een ligand met receptor en hoe wordt deze uitgedrukt?
Langmuir – Kdiss / Kass – Rtot
Farmacokinetiek is wat het lichaam doet met een drug, dit is afhankelijk van tijdsvariabele
en bepaalt de plasmaconcentratie medicijn in het bloed. Farmacodynamiek is wat de drug
doet met het lichaam: effecten. De drug werkt op een site of action en de variabele hier is de
plasmaconcentratie op de site of action.
Farmacodynamiek: de werking van drugs op levend weefsel. De drug beoefent zijn werking
op een eiwit: receptor, enzym of ionkanaal. Een zeer kleine drug bindt dus op een groot
eiwit en er vindt een interactie plaats. Bij farmacodynamiek is de sterkte van deze interactie
nodig. → Als dit een sterke interactie is dan is er weinig drug nodig op de site of action voor
een effect, hierdoor zijn er weinig bijwerkingen. Bij een hogere nodige concentratie drug
door een zwakkere interactie dan zijn er meer bijwerkingen.
Moleculaire krachten:
- Covalente binding: twee atomen delen een elektronpaar, irreversibel – zeer sterkte
interactie
o Deze interactie komt niet vaak voor bij binding van ligand/drug aan receptor.
Deze interactie is nml. vaak reversibel (niet altijd)
o Uitzondering: aspirine. Binding van aspirine aan enzym zorgt voor
irreversibele binding. Om dit te overkomen moet er door het lichaam nieuw
enzym gemaakt worden.
De volgende interacties zijn reversibele interacties:
- Elektrostatische interactie: aantrekken van positieve/negatieve krachten (lading) –
zeer sterkte reversibele interactie. Dit kan over grote afstand.
- Waterstofbrug: aantrekken van elektropositieve/negatieve lading over een kleinere
afstand. NH/OH-binding van +/-. Deze binding is minder sterk van elektrostatische
interactie.
- Van der Waalsbinding: ontstaat wanneer twee moleculen dicht bij elkaar in de buurt
komen, ook +/- lading is hiervoor nodig maar dit is geen specifieke interactie.
Interactie van positieve nucleus met de negatief geladen elektronenwolk. Dit gebeurt
op het hele drugoppervlak.
- Hydrofobe interacties: hier spelen ladingsinteracties geen rol, er is interactie van de
hydrofobe delen van receptor met die van de ligand. Rondom deze hydrofobe delen
zitten watermoleculen in kristalstructuur. Wanneer de receptor en ligand hydrofobe
delen bij elkaar komen, dan verdwijnt deze kristalstructuur en zijn de
watermoleculen minder georganiseerd. Er ontstaat dan een binding van hydrofobe
ketens.
Hoeveel elektrostatische interacties de drug maakt met de receptor zijn ook bepalend voor
de sterkte van binding.
1
,Factoren die sterkte van binding bepalen:
• Functionele groepen van drug & aminozuren in eiwit (receptor/bindingsplaats)
• 3D-structuur van drug & protein:
o Bjv. of drug in bindingspocket van protein kan komen. Wanneer er een
mutant van het eiwit wordt gemaakt, kan dit zorgen voor een verandering in
3D-structuur waardoor de drug niet meer kan binden.
Ligplot display: laat alleen de aminozuren van het eiwit en drug zien die belangrijk zijn voor
de interactie. Aanwezigheid van ladingen wordt aangeduid: groene pijlen staan voor
waterstofbruggen. Blauwe pijlen staan voor elektrostatische interacties.
Een drug is selectief als deze binding aan slechts 1 type receptor. De drug moet dus een
zwakkere interactie hebben met andere receptoren. De sterkte van interactie is bepalend
voor de selectiviteit.
Belangrijk concept: Lage concentratie drug: aantal drugs gebonden aan receptor maar ook
dissociatie van receptor. Hoge concentratie drug: (alle) drug aan receptor gebonden.
Experiment 1:
Hartweefsel wordt gehomogeniseerd en de suspensie wordt gecentrifugeerd. Debris zit
onderin en boven in het bekerglas zit membraansuspensie. We zijn geïnteresseerd in sterkte
van binding van drug aan receptoren in de membraansuspensie. In elke test tubes wordt een
toegenomen concentratie drug toegevoegd (verschillende concentraties drug). De drug of
interest is radioactief gelabeld zodat deze gemeten kan worden: hiervoor kan ook
fluorescentie gebruikt worden. De samples drug worden na incubatie gefilterd: alle
gebonden drug met membraan wordt boven de filter behouden.
→ Dit wordt geanalyseerd en dan is te zien hoe veel drug aan membraaneiwit heeft
gebonden. Bij toename van concentratie drug/ligand zijn er meer ligand-receptor complexen
gevormd. Bij zeer hoge concentratie drug zullen nog steeds niet altijd alle receptoren
gebonden zijn. Dit komt omdat interacties niet altijd optreden.
Deze resultaten van ligand-binding experiment kunnen in Excel gezet worden:
Independent variabele = concentratie drug → X-as
Dependent variabele = % binding → Y-as
2
, Welk model beschrijft deze relatie tussen concentratie drug en binding aan receptor?
Model voor ligand-receptor binding
R + L RL (equilibrium)
kass = association rate constant: hoe snel complex wordt gevormd. Hoe meer ion
interacties, hoe sneller er complexen worden gevormd (hogere associatiesnelheid):
complexen kunnen over grotere afstand worden gevormd. → kass is afhankelijk van
concentratie R en L.
kdiss = dissociation rate constant. Deze wordt bepaald door Van der Waals interacties
op korte afstand. Voor dissociatie moet eerst de Van der Waalsinteractie stoppen. → kdiss is
afhankelijk van concentratie RL. Hoe groter de concentratie complex RL, hoe groter de kans
dat er dissociatie optreedt.
Equilibrium: associatie = dissociatie.
De ratio tussen kass en kdiss is Kass (hoofdletter K): associatie equilibrium constante → dit is
een constante om de sterkte van binding te beschrijven.
Hoge Kass: veel associatie, sterke interactie
Lage Kass: meer dissociatie, minder sterke interactie
[R][L]/[RL] = Kdiss: dissociatie equilibrium constante → Kdiss = 1 / Kass
Kdiss beschrijft de affiniteit van binding.
[R] = [Rtotaal] – [RL]
Dit kan worden ingevuld in Kdiss en dit kan worden omgeschreven (algebra hoeft niet worden
toegepast op tentamen) tot een formule van [RL].
De volgende vergelijking beschrijft de relatie tussen datapunten in het ligand-bindings-
model: y-as = [RL] = binding; x-as = [L] = vrije ligand.
3
Topic 2: Pharmacodynamics – drug binding and effects
Introductie farmacokinetiek: outline
Hoe sterk is de binding van een ligand met receptor en hoe wordt deze uitgedrukt?
Langmuir – Kdiss / Kass – Rtot
Farmacokinetiek is wat het lichaam doet met een drug, dit is afhankelijk van tijdsvariabele
en bepaalt de plasmaconcentratie medicijn in het bloed. Farmacodynamiek is wat de drug
doet met het lichaam: effecten. De drug werkt op een site of action en de variabele hier is de
plasmaconcentratie op de site of action.
Farmacodynamiek: de werking van drugs op levend weefsel. De drug beoefent zijn werking
op een eiwit: receptor, enzym of ionkanaal. Een zeer kleine drug bindt dus op een groot
eiwit en er vindt een interactie plaats. Bij farmacodynamiek is de sterkte van deze interactie
nodig. → Als dit een sterke interactie is dan is er weinig drug nodig op de site of action voor
een effect, hierdoor zijn er weinig bijwerkingen. Bij een hogere nodige concentratie drug
door een zwakkere interactie dan zijn er meer bijwerkingen.
Moleculaire krachten:
- Covalente binding: twee atomen delen een elektronpaar, irreversibel – zeer sterkte
interactie
o Deze interactie komt niet vaak voor bij binding van ligand/drug aan receptor.
Deze interactie is nml. vaak reversibel (niet altijd)
o Uitzondering: aspirine. Binding van aspirine aan enzym zorgt voor
irreversibele binding. Om dit te overkomen moet er door het lichaam nieuw
enzym gemaakt worden.
De volgende interacties zijn reversibele interacties:
- Elektrostatische interactie: aantrekken van positieve/negatieve krachten (lading) –
zeer sterkte reversibele interactie. Dit kan over grote afstand.
- Waterstofbrug: aantrekken van elektropositieve/negatieve lading over een kleinere
afstand. NH/OH-binding van +/-. Deze binding is minder sterk van elektrostatische
interactie.
- Van der Waalsbinding: ontstaat wanneer twee moleculen dicht bij elkaar in de buurt
komen, ook +/- lading is hiervoor nodig maar dit is geen specifieke interactie.
Interactie van positieve nucleus met de negatief geladen elektronenwolk. Dit gebeurt
op het hele drugoppervlak.
- Hydrofobe interacties: hier spelen ladingsinteracties geen rol, er is interactie van de
hydrofobe delen van receptor met die van de ligand. Rondom deze hydrofobe delen
zitten watermoleculen in kristalstructuur. Wanneer de receptor en ligand hydrofobe
delen bij elkaar komen, dan verdwijnt deze kristalstructuur en zijn de
watermoleculen minder georganiseerd. Er ontstaat dan een binding van hydrofobe
ketens.
Hoeveel elektrostatische interacties de drug maakt met de receptor zijn ook bepalend voor
de sterkte van binding.
1
,Factoren die sterkte van binding bepalen:
• Functionele groepen van drug & aminozuren in eiwit (receptor/bindingsplaats)
• 3D-structuur van drug & protein:
o Bjv. of drug in bindingspocket van protein kan komen. Wanneer er een
mutant van het eiwit wordt gemaakt, kan dit zorgen voor een verandering in
3D-structuur waardoor de drug niet meer kan binden.
Ligplot display: laat alleen de aminozuren van het eiwit en drug zien die belangrijk zijn voor
de interactie. Aanwezigheid van ladingen wordt aangeduid: groene pijlen staan voor
waterstofbruggen. Blauwe pijlen staan voor elektrostatische interacties.
Een drug is selectief als deze binding aan slechts 1 type receptor. De drug moet dus een
zwakkere interactie hebben met andere receptoren. De sterkte van interactie is bepalend
voor de selectiviteit.
Belangrijk concept: Lage concentratie drug: aantal drugs gebonden aan receptor maar ook
dissociatie van receptor. Hoge concentratie drug: (alle) drug aan receptor gebonden.
Experiment 1:
Hartweefsel wordt gehomogeniseerd en de suspensie wordt gecentrifugeerd. Debris zit
onderin en boven in het bekerglas zit membraansuspensie. We zijn geïnteresseerd in sterkte
van binding van drug aan receptoren in de membraansuspensie. In elke test tubes wordt een
toegenomen concentratie drug toegevoegd (verschillende concentraties drug). De drug of
interest is radioactief gelabeld zodat deze gemeten kan worden: hiervoor kan ook
fluorescentie gebruikt worden. De samples drug worden na incubatie gefilterd: alle
gebonden drug met membraan wordt boven de filter behouden.
→ Dit wordt geanalyseerd en dan is te zien hoe veel drug aan membraaneiwit heeft
gebonden. Bij toename van concentratie drug/ligand zijn er meer ligand-receptor complexen
gevormd. Bij zeer hoge concentratie drug zullen nog steeds niet altijd alle receptoren
gebonden zijn. Dit komt omdat interacties niet altijd optreden.
Deze resultaten van ligand-binding experiment kunnen in Excel gezet worden:
Independent variabele = concentratie drug → X-as
Dependent variabele = % binding → Y-as
2
, Welk model beschrijft deze relatie tussen concentratie drug en binding aan receptor?
Model voor ligand-receptor binding
R + L RL (equilibrium)
kass = association rate constant: hoe snel complex wordt gevormd. Hoe meer ion
interacties, hoe sneller er complexen worden gevormd (hogere associatiesnelheid):
complexen kunnen over grotere afstand worden gevormd. → kass is afhankelijk van
concentratie R en L.
kdiss = dissociation rate constant. Deze wordt bepaald door Van der Waals interacties
op korte afstand. Voor dissociatie moet eerst de Van der Waalsinteractie stoppen. → kdiss is
afhankelijk van concentratie RL. Hoe groter de concentratie complex RL, hoe groter de kans
dat er dissociatie optreedt.
Equilibrium: associatie = dissociatie.
De ratio tussen kass en kdiss is Kass (hoofdletter K): associatie equilibrium constante → dit is
een constante om de sterkte van binding te beschrijven.
Hoge Kass: veel associatie, sterke interactie
Lage Kass: meer dissociatie, minder sterke interactie
[R][L]/[RL] = Kdiss: dissociatie equilibrium constante → Kdiss = 1 / Kass
Kdiss beschrijft de affiniteit van binding.
[R] = [Rtotaal] – [RL]
Dit kan worden ingevuld in Kdiss en dit kan worden omgeschreven (algebra hoeft niet worden
toegepast op tentamen) tot een formule van [RL].
De volgende vergelijking beschrijft de relatie tussen datapunten in het ligand-bindings-
model: y-as = [RL] = binding; x-as = [L] = vrije ligand.
3
