background image

Dr. Dlawer  Abdul Hammed AL Jaff 

Ph.D Pharmacology and toxicology 

3/10/2016 


background image

The fourth family of receptors differs 
considerably from the other three in that the 
receptor is entirely intracellular and, 
therefore, the ligand must diffuse into the cell 
to interact with the receptor 

This places constraints on the physical and 
chemical properties of the ligand in that it 
must have sufficient lipid solubility to be able 
to move across the target cell membrane 

3/10/2016 


background image

 Because these receptor ligands are lipid 
soluble, they are transported in the body 
attached to plasma proteins, such as 
albumin. 

Binding of the ligand with its receptor follows 
a general pattern in which the receptor 
becomes activated  

The activated ligandâ

€“receptor complex 

migrates to the nucleus, where it binds to 
specific DNA sequences, resulting in the 
regulation of gene expression.  

3/10/2016 


background image

The time course of activation and response of 
these receptors is much longer than that of 
the other mechanisms 

Because gene expression and, therefore, 
protein synthesis is modified, cellular 
responses are not observed until considerable 
time has elapsed (thirty minutes or more), 
and the duration of the response (hours to 
days) is much greater than that of other 
receptor families 
 

3/10/2016 


background image

Radioligand binding studies have shown that 
the receptor numbers do not remain constant 
but change according to circumstances. 

When tissues are continuously exposed to an 
agonist, the number of receptors decreases 

(down-regulation) 

and this may be a cause of 

tachyphylaxis (loss of efficacy with frequently 
repeated doses), e.g. in asthmatics who use 
adrenoceptor agonist bronchodilators 
excessively. Prolonged contact with an 
antagonist leads to formation of new 
receptors 

(up-regulation).

 

 

3/10/2016 


background image

Indeed, one explanation for the worsening of 
angina pectoris or cardiac ventricular 
arrhythmia in some patients following abrupt 
withdrawal of a (beta-adrenoceptor blocker is 
that normal concentrations of circulating 
catecholamines now have access to an 
increased (up-regulated) population of beta-
adrenoceptors 
 

3/10/2016 


background image

Drugs that activate receptors do so because 
they resemble the natural transmitter or 
hormone, and so to act for longer than the 
natural substances (endogenous ligands); for 
this reason 

bronchodilation produced by salbutamol lasts 
longer than that induced by adrenaline 

3/10/2016 


background image

Antagonists (blockers) of receptors are 
sufficiently similar to the natural agonist to 
be 'recognised' by the receptor and to occupy 
it without activating a response, thereby 
preventing (blocking) the natural agonist 
from exerting its effect. 

 Drugs that have no activating effect whatever 
on the receptor are termed 

pure antagonists   

 

 

3/10/2016 


background image

A receptor occupied by a low efficacy agonist 
is inaccessible to a subsequent dose of a high 
efficacy agonist, so that, in this specific 
situation, a low efficacy agonist acts as an 
antagonist. 

This can happen with opioids. 

3/10/2016 


background image

Partial agonists. Some drugs, in addition to 
blocking access of the natural agonist to the 
receptor, are capable of a low degree of 
activation, i.e. they have both antagonist and 
agonist action. Such substances are said to 
show 

partial agonist activity 

(PAA).  

The beta- adrenoceptor antagonists pindolol 
and oxprenolol have partial agonist activity 
(in their case it is often called 

intrinsic 

sympathomimetic activity) 

(ISA), while 

propranolol is devoid of agonist activity, i.e. it 
is a pure antagonist 

3/10/2016 


background image

A patient may be as extensively '(3- blocked' 
by propranolol as by pindolol, i.e. exercise 
tachycardia is abolished, but the resting heart 
rate is lower on propranolol; such differences 
can have clinical importance. 
 

3/10/2016 


background image

Inverse agonists. 

  Some substances produce effects that are 

specifically opposite to those of the agonist. 

The agonist action of benzodiazepines on the 
benzodiazepine receptor in the CNS produces 
sedation, anxiolysis, muscle relaxation and 
controls convulsions; substances called 

–beta 

carbolines which also bind to this receptor 
cause stimulation, anxiety, increased muscle 
tone and convulsions; they are inverse 
agonists.  

  

 

3/10/2016 


background image

Receptor binding (and vice versa). 

 If the forces that bind drug to receptor are weak 
(hydrogen bonds, van der Waals bonds, 
electrostatic bonds), the binding will be easily 
and rapidly reversible; if the forces involved are 
strong (covalent bonds), rests on their greater 
capacity to resist degradation  then binding will 
be effectively irreversible. 

 An antagonist that binds reversibly to a receptor 
can by definition be displaced from the receptor 
by mass action  of the agonist (and vice versa). If 
the concentration of agonist increases 
sufficiently above that of the antagonist the 
response is restored. 
 

3/10/2016 


background image

This  phenomenon  is  commonly  seen  in 
clinical  practice 

— patients who are taking a 

beta-adrenoceptor  blocker,  and  whose  low 
resting  heart  rate  can  be  increased  by 
exercise, are showing that they can raise their 
sympathetic 

drive 

to 

release 

enough 

noradrenaline  (agonist)  to  diminish  the 
prevailing degree of receptor blockade.  

3/10/2016 


background image

Increasing the dose of beta-adrenoceptor 
blocker will limit or abolish exercise induced 
tachycardia, showing that the degree of 
blockade is enhanced as more drug becomes 
available to compete with the endogenous 
transmitter.  

Since agonist and antagonist compete to 
occupy the receptor according to the law of 
mass action, this type of drug action is 
termed 

competitive antagonism.

 

 

3/10/2016 


background image

When 

receptor-mediated 

responses 

are 

studied  either  in  isolated  tissues  or  in  intact 
man,  a  graph  of  the  logarithm  of  the  dose 
given  (horizontal  axis),  plotted  against  the 
response  obtained  (vertical  axis),  commonly 
gives  an  S-shaped  (sigmoid)  curve,  the 
central part of which is a straight line. 

 If  the  measurements  are  repeated  in  the 
presence  of  an  antagonist,  and  the  curve 
obtained  is  parallel  to  the  original  but 
displaced  to  the  right,  then  antagonism  is 
said  to  be  competitive  and  the  agonist  to  be 

surmountable.

 

 

3/10/2016 


background image

Drugs  that  bind 

irreversibly 

to  receptors 

include 

phenoxybenzamine 

(to 

the 

a-

adrenoceptor).  Since  such  a  drug  cannot  be 
displaced  from  the  receptor,  increasing  the 
concentration  of  agonist  does  not  fully 
restore  the  response  and  antagonism  of  this 
type is said to be 

insurmountable

 

3/10/2016 


background image

The  log-dose-response  curves  for  the 
agonist in the absence of and in the presence 
of  a  noncompetitive  antagonist  are  not 
parallel.  Some  toxins  act  in  this  way,  e.g. 
bungaro  toxin,  a  constituent  of  some  snake 
and  spider  venoms,  binds  irreversibly  to  the 
acetylcholine receptor and is used as a tool to 
study  it.  Restoration  of  the  response  after 
irreversible  binding  requires  elimination  of 
the drug from the body and synthesis of new 
receptor,  and  for  this  reason  the  effect  may 
persist  long  after  drug  administration  has 
ceased.  Irreversible  agents  find  little  place  in 
clinical practice 

3/10/2016 


background image

Physiological (functional) antagonism 

An action on the same receptor is not the only 
mechanism by which one drug may oppose the effect 
of another. Extreme bradycardia following overdose 
of a p-adrenoceptor blocker can be relieved by 
atropine which accelerates the heart by blockade of 
the parasympathetic branch of the autonomic 
nervous system, the cholinergic tone of which (vagal 
tone) operates continuously to slow it. 

Bronchoconstriction produced by histamine released 
from mast cells in anaphylactic shock can be 
counteracted by adrenaline (epinephrine), which 
relaxes bronchial smooth muscle (P2-adrenoceptor 
effect) or by theophylline. In both cases, a 
pharmacological effect is overcome by a second drug 
which acts by a different physiological mechanism, 
i.e. there is physiological or functional antagonism. 
 

3/10/2016 


background image

ENZYMES 

Interaction between drug and enzyme is in many 
respects similar to that between drug and 
receptor. 

Drugs may alter enzyme activity because they 
resemble a natural substrate and hence compete 
with it for the enzyme. For example, enalapril is 
effective in hypertension because it is structurally 
similar to that part of angiotensin I which is 

  attacked by angiotensin-converting enzyme 

(ACE); by occupying the active site of the enzyme 
and so inhibiting its action enalapril prevents 
formation of the pressor angiotensin II.  
 

3/10/2016 


background image

Carbidopa competes with levodopa for dopa decarboxylase and 

the benefit of this combination in Parkinson's disease is reduced 

metabolism of levodopa to dopamine in the blood (but not in the 

brain because carbidopa does not cross the blood-brain barrier). 

Ethanol prevents metabolism of methanol to its toxic metabolite, 

formic acid, by competing for occupancy of the enzyme alcohol 

dehydrogenase; this is the rationale for using ethanol in 

methanol poisoning. 

The above are examples of competitive (reversible) inhibition of 

enzyme activity. 

  

Irreversible inhibition  

occurs with organophosphorus insecticides  which combine 

covalently with the active site of acetylcholinesterase; recovery of 

cholinesterase activity depends on the formation of new enzyme. 

Covalent binding of aspirin to cyclo-oxygenase (COX) inhibits the 

enzyme in platelets for their entire lifespan because platelets 

have no system for synthesising new protein and this is why low 

doses of aspirin are sufficient for antiplatelet action. 
 

3/10/2016 


background image

Continuous or repeated or administration of a 
drug is often accompanied by a gradual 
diminution of the effect it produces. 

Tolerance is said to have been 

acquired 

when it 

becomes necessary to increase the dose of a 
drug to get an effect previously obtained with a 
smaller dose 

By contrast, the term 

tachyphylaxis 

describes the 

phenomenon of progressive lessening of effect 
(refractoriness) in response to frequently 
administered doses it tends to develop more 
rapidly than tolerance.  

3/10/2016 


background image

Tolerance is readily observed with opioids 
Tolerance is acquired rapidly with nitrates 
used to prevent angina, possibly mediated by 
the generation of oxygen free radicals from 
nitric oxide 

it can be avoided by removing transdermal 
nitrate patches for 4-8 h, e.g. at night. 
 

3/10/2016 


background image

The order of reaction or process 

In the body, drug molecules cross cell 
membranes, are transported across cells, and 
many are altered by being metabolised.  

These movements and changes involve 
interaction with membranes, carrier proteins 
and enzymes. 

The 

rate 

at which these movements or 

changes can take place is subject to 
important influences that are referred to as 
the 

order 

of reaction or process.  

3/10/2016 


background image

In  biology  generally,  two  orders  of  such 
reactions 

are 

recognised 

First-order 

processes  by  which  a  constant 

fraction

  of 

drug is transported/metabolised in unit time.  

  Zero-order  processes  by  which  a  constant 

amount

 of drug is transported/metabolised in 

unit time. 
 

3/10/2016 


background image

In the majority of instances the rates at which 
absorption,  distribution,  metabolism  and 
excretion  of  a  drug  occur  are  directly 
proportional to its concentration in the body. 

In other words, transfer of drug across a cell 
membrane  or  formation  of  a  metabolite  is 
high at high concentrations and falls in direct 
proportion to be low at low concentrations 

(an exponential relationship).  

3/10/2016 


background image

This  is  because  the  processes  follow  the  Law  of 
Mass  Action,  which  states  that  the  rate  of 
reaction  is  directly  proportional  to  the  active 
masses of reacting substances. 

In other words, at high concentrations, there are 
more  opportunities  for  crowded  molecules  to 
interact  with  each  other  or  to  cross  cell 
membranes 

than 

at 

low, 

uncrowded 

concentrations. 

Processes  for  which  rate  of  reaction  is 
proportional  to  concentration  are 

called  first-

order.

  In  doses  used  clinically,  most  drugs  are 

subject  to  first-order  processes  of  absorption, 
distribution,  metabolism  and  elimination.  The 
knowledge  that  a  drug  exhibits  first-order 
kinetics is useful. 

3/10/2016 


background image

As the amount of drug in the body rises, any 
metabolic  reactions  or  processes  that  have 
limited  capacity  become  saturated.  In  other 
words,  the  rate  of  the  process  reaches  a 
maximum amount at which it stays constant, 
e.g. due to limited activity of an enzyme, and 
further  increase  in  rate  is  impossible  despite 
an increase in the dose of drug.  

3/10/2016 


background image

Clearly, these are circumstances in which the 
rate  of  reaction  is  no  longer  proportional  to 
dose,  and  processes  that  exhibit  this  type  of 
kinetics  are  described  as  rate-limited  or 
dose-dependent or zero-order or as showing 

saturation 

kinetics. 

In 

practice 

enzymemediated  metabolic  reactions  are  the 
most  likely  to  show  rate-limitation  because 
the  amount  of  enzyme  present  is  finite  and 
can become saturated. 
 

3/10/2016 


background image

Alcohol (ethanol) is a drug whose kinetics has 
considerable  implications  for  society  as  well 
as  for  the  individual,  as  follows.  Alcohol  is 
subject  to  first-order  kinetics  with  a  t1/2  of 
about  one  hour  at  plasma  concentrations 
below 10 mg/dl [attained after drinking about 
two thirds of a unit (glass) of wine or beer] 

Above  this  concentration  the  main  enzyme 
(alcohol  dehydrogenase)  that  converts  the 
alcohol  into  acetaldehyde  approaches  and 
then  reaches  saturation,  at  which  point 
alcohol  metabolism  cannot  proceed  any 
faster.  

3/10/2016 


background image

Thus  if  the  subject  continues  to  drink,  the 
blood 

alcohol 

concentration 

rises 

disproportionately, for the rate of metabolism 
remains  the  same  (at  about  10  ml  or  8  g/h 
for  a  70  kg  man),  i.e.  a  constant  amount  is 
metabolised  in  unit  time,  and  alcohol  shows 
zero-order kinetics. 

  

 

3/10/2016 


background image

Absorption 

• 

Enteral: 

by mouth (swallowed) or by sublingual 

or buccal absorption; by rectum  

• 

Parenteral: 

by intravenous injection or infusion, 

intramuscular injection, subcutaneous injection 
or infusion, inhalation, topical application for 

local (skin, eye, lung) or for systemic 
(transdermal) effect  

• 

Other routes, 

e.g. intrathecal, intradermal, 

intranasal, intratracheal, intrapleural, are used 
when appropriate. 

  

 

3/10/2016 


background image

The 

small intestine 

is the principal site for 

absorption of nutrients and it is also where 
most orally administered drugs enter the 
body. This part of the gut has two important 
attributes, an enormous surface area due to 
the intestinal villi, and an epithelium through 
which fluid readily filters in response to 
osmotic differences caused by the presence 
of food. 

3/10/2016 


background image

It follows that drug access to the small intestinal 
mucosa  is  important  and  disturbed  alimentary 
motility  can  reduce  absorption,  i.e.  if  gastric 
emptying  is  slowed  by  food,  or  intestinal  transit 
is accelerated by gut infection. 

The  colon  is  capable  of  absorbing  drugs  and 
many  sustained  release  formulations  probably 
depend  on  absorption  there.  The  stomach  does 
not  play  a  major  role  in  absorbing  drugs,  even 
those  that  are  acidic  and  thus  unionized  and 
lipid-soluble  at  gastric  pH,  because  its  surface 
area  is  much  smaller  than  that  of  the  small 
intestine  and  gastric  emptying  is  speedy  (t/£  30 
min). 

  

 

3/10/2016 


background image

This system is illustrated by the bile salts, which 
are  conserved  by  circulating  through  liver, 
intestine  and  portal  blood  about  eight  times  a 
day.  A  number  of  drugs  form  conjugates  with 
glucuronic  acid  in  the  liver  and  are  excreted  in 
the  bile.  These  glucuronides  are  too  polar 
(ionised) to be reabsorbed; they therefore remain 
in  the  gut,  are  hydrolysed  by  intestinal  enzymes 
and bacteria, releasing  the parent  drug, which  is 
then  reabsorbed  and  reconjugated  in  the  liver. 
Enterohepatic  recycling  appears  to  help  sustain 
the plasma concentration. 
 

3/10/2016 


background image

When  a  drug  is  injected  intravenously  it 
enters  the  systemic  circulation  and  thence 
gains  access  to  the  tissues  and  to  receptors, 
i.e.  100%  is  available  to  exert  its  therapeutic 
effect.  If  the  same  quantity  of  the  drug  is 
swallowed,  it  does  not  follow  that  the  entire 
amount  will  reach  first  the  portal  blood  and 
then the systemic blood, i.e. its availability for 

  therapeutic effect  via  the systemic  circulation 

may be less than 100%. 

  

 

3/10/2016 


background image

The  terms  potency  and  efficacy  are  often  used 
imprecisely and therefore, confusingly 

Potency is the amount (weight) of drug in relation to 
its effect, e.g. if weight-for-weight drug A has a 

 greater effect than drug B, then drug A is more potent 

than  drug  B,    although  the  maximum  therapeutic 
effect obtainable may be similar with both drugs. 

The diuretic effect of  bumetanide 1 mg is equivalent 
to frusemide 50 mg, thus bumetanide is more 

potent 

than  frusemide  but  both  drugs  achieve  about  the 
same maximum effect.  

The  difference  in  weight  of  drug  that  has  to  be 
administered is of no clinical significance unless it is 
great. 

3/10/2016 


background image

Pharmacological efficacy  

refers to the strength of response induced by 
occupancy of a receptor by antagonists 
(intrinsic activity).  

3/10/2016 


background image

Half-Life 

The half-life (

t

½

) is the time it takes for the plasma 

concentration or the amount of drug in the body to 

be reduced by 50%. 

T ½ =0.693*Vd/CL 

Clearance  is  the  measure  of  the  body's  ability  to 

eliminate a drug; thus, as clearance decreases, owing 

to a disease process, for example, half-life would be 

expected  to  increase.  However,  this  reciprocal 

relationship  is  valid  only  when  the  disease  does  not 

change the volume of distribution.  

For example, the half-life of diazepam increases with 

increasing  age;  however,  it  is  not  clearance  that 

changes as a function of age but rather the volume of 

distribution. Similarly, changes in protein binding of a 

drug may affect its clearance as well as its volume of 

distribution,  leading  to  unpredictable  changes  in 

half-life as a function of disease.  

3/10/2016 


background image

Bioavailability 

Bioavailability  is  defined  as  the  fraction  of 
unchanged  drug  reaching  the  systemic 
circulation  following  administration  by  any 
route. 

The 

area 

under 

the 

blood 

concentration-time curve  (AUC)  is  a  common 
measure  of  the  extent  of  bioavailability  for  a 
drug given by a particular route. 

 For  an  intravenous  dose  of  the  drug, 
bioavailability  is  assumed  to  be  equal  to 
unity.  For  a  drug  administered  orally, 
bioavailability may be less than 100% for two 
main 

reasons

—incomplete 

extent 

of 

absorption and first-pass elimination 
 

3/10/2016 


background image

3/10/2016 


background image

EXTENT OF ABSORPTION 

After oral administration, a drug may be incompletely 

absorbed, eg, only 70% of a dose of digoxin reaches 

the systemic circulation. This is mainly due to lack of 

absorption  from  the  gut.  Other  drugs  are  either  too 

hydrophilic  (eg,  atenolol)  or  too  lipophilic  (eg, 

acyclovir)  to  be  absorbed  easily,  and  their  low 

bioavailability is also due to incomplete absorption. 

 If too hydrophilic, the drug cannot cross the lipid cell 

membrane;  if  too  lipophilic,  the  drug  is  not  soluble 

enough  to  cross  the  water  layer  adjacent  to  the  cell. 

Drugs  may  not  be  absorbed  because  of  a  reverse 

transporter associated with P-glycoprotein. 

 This  process  actively  pumps  drug  out  of  gut  wall 

cells  back  into  the  gut  lumen.  Inhibition  of  P-

glycoprotein  and  gut  wall  metabolism,  eg,  by 

grapefruit juice, may be associated with substantially 

increased drug absorption 
 

3/10/2016 


background image

FIRST-PASS ELIMINATION 

Following  absorption  across  the  gut  wall,  the 
portal blood delivers the drug to the liver prior to 
entry into the systemic circulation. A drug can be 
metabolized  in  the  gut  wall  (eg,  by  the  CYP3A4 
enzyme  system)  or  even  in  the  portal  blood,  but 
most commonly  it  is  the liver  that  is  responsible 
for  metabolism  before  the  drug  reaches  the 
systemic circulation.  

In  addition,  the  liver  can  excrete  the  drug  into 
the bile. Any of these sites can contribute to this 
reduction  in  bioavailability,  and  the  overall 
process  is  known  as  first-pass  elimination.  The 
effect  of  first-pass  hepatic  elimination  on 
bioavailability is expressed as the extraction ratio 
(ER): 
 

3/10/2016 


background image

Volume of Distribution 

Volume  is  a  second  fundamental  parameter 
that  is  useful  in  considering  processes  of 
drug  disposition.  The  volume  of  distribution 
(

V

) relates the amount of drug in the body to 

the concentration of drug (

C

) in the blood  or 

plasma depending on the fluid measured.  

This  volume  does  not  necessarily  refer  to  an 
identifiable  physiological  volume  but  rather 
to the fluid volume that would be required to 
contain  all  the  drug  in  the  body  at  the  same 
concentration  measured  in  the  blood  or 
plasma: 

3/10/2016 


background image

A  drug's  volume  of  distribution  therefore 
reflects  the  extent  to  which  it  is  present  in 
extravascular tissues and not in the plasma. 

 The plasma volume of a typical 70-kg man is 
3 L, blood volume is about 5.5 L, extracellular 
fluid volume  outside  the  plasma  is  12  L,  and 
the 

volume 

of 

total-body 

water 

is 

approximately 42 L. 

V=amount of the drug in the body /C 

3/10/2016 


background image

Many  drugs  exhibit  volumes  of  distribution 
far in excess of these values. For example, if 
500  g  of  the  cardiac  glycoside 

digoxin

  were 

in  the  body  of  a  70-kg  subject,  a  plasma 
concentration  of  approximately  0.75  ng/ml 
would  be  observed.  Dividing  the  amount  of 
drug in the body by the plasma concentration 
yields a volume of distribution for digoxin of 
about  667  L,  or  a  value  approximately  10 
times greater than the total-body volume of a 
70-kg man. 

3/10/2016 


background image

In  fact,  digoxin  distributes  preferentially  to 
muscle and  adipose tissue and  to its specific 
receptors  (Na

+

,K

+

-ATPase),  leaving  a  very 

small  amount  of  drug  in  the  plasma  to  be 
measured. 

 For  drugs  that  are  bound  extensively  to 
plasma  proteins  but  that  are  not  bound  to 
tissue 

components, 

the 

volume 

of 

distribution  will  approach  that  of  the  plasma 
volume  because  drug  bound  to  plasma 
protein  is  measurable  in  the  assay  of  most 
drugs.  

3/10/2016 


background image

The  volume  of  distribution  may  vary  widely 
depending on the relative degrees of binding 
to  high-affinity  receptor  sites,  plasma  and 
tissue proteins, the partition coefficient of the 
drug  in  fat,  and  accumulation  in  poorly 
perfused tissues.  

As  might  be  expected,  the  volume  of 
distribution  for  a  given  drug  can  differ 
according  to  patient's  age,  gender,  body 
composition, and presence of disease. Total-
body water of infants younger than 1 year of 
age,  for  example,  is  75%  to  80%  of  body 
weight,  whereas  that  of  adult  males  is  60% 
and that of females is 55%. 
 

3/10/2016 




رفعت المحاضرة من قبل: Ismail AL Jarrah
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 152 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل