Transport leków przez błony biologiczne

Zanim lek dotrze do odpowiedniego receptora i wywoła określony

efekt farmakologiczny, musi przedostać się z miejsca podania (np.

przewód pokarmowy) do miejsca działania (np. mózg). Przemieszcza-

jąc się pomiędzy kompartmentami organizmu lek musi przekraczać

różne bariery biologiczne. Są to najczęściej podwójne, fosfolipidowe

błony komórek.

Istnieją też bardziej złożone bariery, np.:

o bariera nabłonkowa tworzona przez śluzówkę przewodu po-

karmowego składa się ze ściśle przylegających do siebie ko-

mórek (lek aby dostać się do organizmu musi pokonać dwie

błony komórkowe – zewnętrzną i wewnętrzną)

o śródbłonek naczyniowy jest bardziej skomplikowaną barierą -

w szczelinach między jego komórkami znajduje się luźna ma-

sa białkowa nie przepuszczająca większych cząsteczek

•

w mózgu i w łożysku występują bardzo ścisłe połączenia

między komórkami śródbłonka

•

z kolei w wątrobie i śledzionie śródbłonek nie jest ciągły, co

pozwala na łatwiejsze przechodzenie leków

Przechodzenie cząsteczek substancji przez błony komórkowe zachodzi

za pośrednictwem czterech głównych mechanizmów:

1. Dyfuzji biernej przez lipidy

2. Dyfuzji przez pory wodne

3. Transportu przenośnikowego

4. Pinocytozy

Dyfuzja przez pory wodne ma małe znaczenie z punktu widzenia farma-

kokinetyki leków, ponieważ mała średnica porów uniemożliwia przejście

leków o wielkości > 1nm.

Pinocytoza polega na utworzeniu z zagłębienia błony komórkowej pę-

cherzyka z zawartością zewnątrzkomórkową. Pęcherzyk ten może uwol-

nić się do wnętrza komórki lub zostać wydalony po drugiej stronie (np.

przechodzenie insuliny przez barierę krew-mózg). Mechanizm ten rów-

nież rzadko pośredniczy w dystrybucji leków.

Najważniejsze z punktu widzenia farmakokinetyki leków są procesy dy-

fuzji biernej przez lipidy oraz transportu przenośnikowego.

1

Dyfuzja bierna przez lipidy

Dyfuzja bierna jest podstawowym mechanizmem przenikania leków

przez błony biologiczne. Niezjonizowane substancje o właściwościach

lipofilnych przechodzą bez problemu przez błonę lipidową. Siłą napędo-

wą tego przemieszczania się jest gradient stężenia substancji po obu

stronach błony.

Przepływ [mol/s] = P × ∆C ×

h

A

grubość błony (h)

powierzchnia błony (A)

stężenie

wewnętrzne (C

w

)

stężenie

zewnętrzne (C

z

)

mocznik

benzen

DUŻE

NIENAŁADOWANE

CZĄSTECZKI

POLARNE

H

+

Na

+

HCO

3

-

K

+

Ca

2+

Mg

2+

Cl

-

glukoza

JONY

MAŁE

NIENAŁADOWANE

CZĄSTECZKI

POLARNE

CZĄSTECZKI

HYDROFOBOWE

N

2

O

2

H

2

O CO

2

P –

współczynnik przenikalności leku

∆C – przezbłonowy gradient stężeń (C

z

– C

w

)

A – powierzchnia błony

h – grubość błony

2

Współczynnik przenikalności P dla substancji biernie przechodzącej

przez błonę komórkową zależy od dwóch wartości wynikających z bu-

dowy leku:

D – współczynnik dyfuzji – miara poruszania się cząsteczek w lipidach.

Zależny od kształtu oraz wielkości cząsteczki.

K – współczynnik rozdziału – miara rozpuszczalności danej substancji w

tłuszczach. Zależny od polaryzacji cząsteczki.

Współczynnik rozdziału K jest jedną z najważniejszych wartości za-

leżnych od budowy leku, która określa przenikanie leku przez błonę lipi-

dową. Oznacza się go badając dystrybucję danej substancji pomiędzy

wodą a olejem roślinnym:

[Lek w oleju]

1000

[Lek w wodzie] 1

K=1000

Lek łatwo rozpuszczalny w lipidach. Łatwo

przenika przez błony lipidowe o ile nie jest zbyt

duży.

[Lek w oleju]

1

[Lek w wodzie] 1000

K=0.001

Lek słabo rozpuszczalny w lipidach. Źle prze-

chodzi przez błony komórkowe.

Rozpuszczalność w tłuszczach jest jedną z najważniejszych cech charak-

teryzujących dany lek, wpływa bowiem m.in. na szybkość jego wchła-

niania z jelit, przechodzenie do mózgu i tkanek czy szybkość eliminacji

przez nerki.

3

pH i stan zjonizowania

Większość leków to słabe kwasy lub zasady, w związku z czym istnieją

one zarówno w formie zjonizowanej jak i niezjonizowanej, a wzajemny

stosunek tych form zależy od pH środowiska. Ma to podstawowe zna-

czenie dla procesów wchłaniania i dystrybucji ponieważ przez błonę

lipidową przenikać może tylko lek w postaci niezjonizowanej.

Dla słabej zasady reakcja jonizacji wygląda następująco:

BH

+

K

a

B + H

+

a stałą dysocjacji pK

a

można obliczyć z równania Hendersona-

Hasselbalcha:

pK

a

= pH + log

[BH

+

]

[B]

Dla słabego kwasu odpowiednie wzory to:

K

a

pK

a

= pH + log

[A

-

]

[AH]

A

-

+ H

+

AH

Obliczmy przykładowo pK

a

strychniny wiedząc, że w środowisku żołądka

(pH = 2) zmierzona przez nas liczba zjonizowanych cząsteczek strych-

niny wynosi 10

7

a niezjonizowanych 10:

pK

a

= 2 + log 10

7

10

1

= 2 + log 10

6

= 2 + 6 = 8

Policzmy teraz ile razy więcej w żołądku (pH = 2) jest cząsteczek nie-

zjonizowanych kwasu salicylowego (pK

a

= 3) niż cząsteczek zjonizowa-

nych:

pK

a

= pH + log

[A

-

]

[AH]

[AH]

3 = 2 + log

[A

-

]

[AH]

[A

-

]

[A

-

]

= 1 czyli

[AH]

= 10

1

log

Wynika z tego, że w środowisku żołądka jest dziesięciokrotnie więcej

niezjonizowanych cząsteczek kwasu salicylowego niż zjonizowanych.

4

Wartość pK

a

można zdefiniować również jako takie pH, przy którym

liczba cząsteczek zjonizowanych i niezjonizowanych leku jest dokładnie

taka sama.

Stopień jonizacji leków w zależności od pH

niskie pH

pH = pK

a

wysokie

pH

Słaby kwas AH > A

+

H

+

AH = A

+

H

+

A

+

H

+

> AH

Słaba zasada

BH

+

> B

BH

+

= B

B > BH

+

Chlorochina

Desmetylimipramina

Amfetamina

Atropina

Histamina

Propranolol

Chlorpromazyna

Mepyramina

Dopamina

1

2

4

5

6

7

8

9

3

10

12

11

Noradrenalina

Chlordiazepoksyd

Trimetoprim

Ergometryna

Morfina

Diazepam

SŁABA

ZASADA

SILNA

ZASADA

pK

a

Kwas askorbinowy

Fenytoina

Tiopental

Fenobarbital

Sulfametoksazol

Chlorotiazyd

Warfaryna

Penicyliny

Aspiryna

Probenecid

Metotreksat

L-DOPA

SŁABY

KWAS

SILNY

KWAS

Wartości pK

a

niektórych leków o odczynie kwaśnym i zasadowym

(za: Rang 2000, „Pharmacology”, Churchil Livingstone, Edinburgh)

Jeśli nie wiadomo, czy lek jest słabym kwasem czy zasadą można to

czasem odgadnąć – leki bywają rozpowszechniane w postaci soli:

•

słabe kwasy tworzą sole z silnymi zasadami (np. sól sodowa ampi-

cyliny)

•

słabe zasady tworzą sole z silnymi kwasami (np. chlorowodorek

epinefryny)

5

Wpływ różnic pH na rozmieszczenie leków w organizmie

Jeśli pomiędzy kompartmentami wodnymi przedzielonymi błoną lipido-

wą istnieją różnice pH, to ilość cząsteczek leku w tych kompartmentach

może się znacznie różnić. Mówi o tym prawo podziału pH sformułowane

przez Brodiego. Zgodnie z tym prawem jeśli błona rozdziela dwie fazy

wodne o różnym pH, to:

•

słaby kwas będzie gromadził się po stronie o większym pH

(bo tam jest silniej zjonizowany)

•

słaba zasada będzie gromadziła się po stronie o mniejszym pH

(bo tam jest silniej zjonizowana)

Słaby kwas pK

a

6

Słaba zasada pK

a

6

pH 7,4

pH 5,0

pH 7,4

pH 5,0

90 [BH

+

]

10 [B]

[BH

+

] 1

[B] 10

1 [A

-

] [H

+

]

10 [AH]

[A

-

] [H

+

] 90

[AH] 10

∑ = 100

∑ = 11

∑ = 11

∑ = 100

(za: Danysz 1996, „Podstawy farmakologii”, Volumed, Wrocław)

Nie wszystkie leki podlegają jednak w pełni prawu podziału pH – niektó-

re bowiem substancje nawet w postaci niezjonizowanej nie są wystar-

czająco rozpuszczalne w lipidach aby przejść przez błony biologiczne

(np. aminoglikozydy posiadające w swej budowie cząsteczkę cukru).

6

Na poniższym rysunku przedstawiono w jaki sposób słaby kwas (aspiry-

na) oraz słaba zasada (petydyna) byłyby rozmieszczone w wyidealizo-

wanych warunkach w trzech kompartmentach organizmu ludzkiego – w

soku żołądkowym (pH 3), osoczu (pH 7,4) oraz moczu (pH 8).

Sok żołądkowy

pH 3

Osocze

pH 7,4

Mocz

pH 8

(za: Rang 2000, „Pharmacology”, Churchil Livingstone, Edinburgh)

>10

6

30

100

Zjonizowana zasada

BH

+

Niezjonizowana

zasada B

>400

100

Niezdysocjowany

kwas AH

Anion A

-

< 0,1

Aspiryna

sł

aby kwas pK 3,5

Petydyna

sł

aba zas

ada pK 3

,5

Zakłada się, że przez błony przechodzi wyłącznie forma niezjonizowana

i dlatego osiąga takie samo stężenie w każdym kompartmencie. Forma

zjonizowana nie przechodzi przez błony, więc po pewnym czasie całko-

wite stężenie leku (forma zjonizowana + forma niezjonizowana) w każ-

dym kompartmencie będzie inne. Słabe kwasy gromadzić się będą w

kompartmencie o wysokim pH i vice versa. Zjawisko takie nazywa się

pułapką jonową.

Przykładowe konsekwencje pułapki jonowej:

•

Zakwaszenie moczu:

o przyspiesza wydalanie słabych zasad (dlatego podajemy Fu-

ragin z witaminą C)

o opóźnia wydalanie słabych kwasów

•

Alkalizacja moczu

o przyspiesza wydalanie słabych kwasów (dlatego w zatruciu

aspiryną alkalizuje się mocz)

o opóźnia wydalanie słabych zasad

7

Transport leków z użyciem nośników

Duża część błon komórkowych posiada mechanizmy wyspecjalizowane

w transporcie istotnych z punktu widzenia fizjologii substancji takich jak

cukry, aminokwasy czy neuroprzekaźniki. Transport taki odbywa się

zwykle przy pomocy wyspecjalizowanego przezbłonowego białka prze-

nośnikowego wiążącego jedną lub więcej cząsteczek danej substancji i

uwalniającego je po drugiej stronie błony. Taki sposób przenikania sub-

stancji przez błony charakteryzuje się, w odróżnieniu od dyfuzji biernej,

następującymi cechami:

•

możliwością transportu przez błonę substancji hydrofilnych

•

wybiórczością względem przenoszonych substancji (niekoniecznie

dużą)

•

wysycaniem się przenośników przy wysokich stężeniach substratu

•

możliwością wystąpienia kompetycyjnego hamowania przez konku-

rujące substancje

Wyróżniamy dwa rodzaje transportu przenośnikowego:

1. Dyfuzja ułatwiona:

•

odbywa się zawsze zgodnie z gradientem stężeń więc nie może sama

wytwarzać takiego gradientu

•

nie wymaga zużytkowania energii

•

może odbywać się przy użyciu białka transportującego (np. wit. B12)

bądź kanału jonowego (np. K

+

, Na

+

)

•

w transporcie leków raczej nie odgrywa istotnego znaczenia

2. Transport aktywny

•

może odbywać się wbrew gradientowi stężeń (wykorzystuje energię

czerpaną z rozkładu ATP)

•

może generować gradient elektrochemiczny

•

ma istotne znaczenie w transporcie błonowym leków np. w:

o kanalikach nerkowych
o drogach żółciowych
o barierze krew-mózg
o przewodzie pokarmowym

8