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 FARMACODINAMIA Dr RA Diez 09-08-07

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FARMACODINAMIADr RA Diez

09-08-07

Qu vamos a discutir? Las bases de la accin de los medicamentos Farmacodinamia para explicar: la accin teraputica y los efectos adversos de las drogas. El concepto de Farmacodinamia es amplio y cambiante, as como las tcnicas de estudio y su marco de aplicacin.

Farmacologa: Concepto Ciencia que estudia las drogas (entendidas como sustancias que modifican sistemas biolgicos). En este curso, Farmacologa Mdica (vs. Farmacologa en FyB, Veterinaria, Odontologa, Exactas, etc...). Implica priorizar Farmacodinamia y Farmacocintica.

Farmacologa mdica Estudia las drogas aplicadas a prevenir, diagnosticar o tratar problemas de salud humanos (incluyendo la modificacin de funciones fisiolgicas). Ejemplos: Prevenir: vacunas, anticonceptivos, etc. Diagnosticar: empleo de protirelina (TRH) en estudio de funcin tiroidea, etc. Tratar: empleo de antibiticos en infecciones, anticonvulsivantes en epilepsia, etc.

Para qu sirven? La Farmacodinamia estudia qu acciones tienen las drogas (analizando desde sus interacciones moleculares hasta sus consecuencias). Permite elegir qu droga hace falta para cada situacin. La Farmacocintica estudia los factores que determinan la concentracin de las drogas en distintos puntos del organismo. Permite elegir de qu manera administrar una droga.

Qu sabemos de las acciones de las drogas y sus mecanismos? Varias acciones, numerosos efectos y escasos mecanismos (en general incompletos). La diferencia entre accin y efecto es el nivel de anlisis, sin una definicin precisa y universal. Mecanismo de accin se refiere a la interaccin molecular inicial de la droga que genera la accin y luego el efecto.

Ejemplos El aciclovir se emplea en el tratamiento del herpes labial porque tiene efecto antiviral contra el Herpes simplex. Su accin es inhibir la replicacin del Herpes simplex y el mecanismo de accin es la inhibicin de la ADN polimerasa de ese virus. El propranolol se emplea para tratar la cardiopata isqumica porque tiene efecto antianginoso. Su accin es disminuir la estimulacin adrenrgica cardaca y el mecanismo es antagonismo en los receptores beta adrenrgicos.

Por qu es tan limitado nuestro conocimiento de Farmacodinamia? El concepto dominante actualmente es que las drogas ejercen su efecto como resultado de interacciones moleculares, en forma similar al resto de las interacciones subyacentes a los fenmenos biolgicos. Este pensamiento se desarroll en los ltimos dos siglos y an existen ramas de la medicina que no lo aceptan (caso extremo, pero no nico: la Homeopata).

Todo el efecto obtenido en un tratamiento es por la actividad farmacodinmica de las drogas? Rta: NO

Qu determina el efecto de un medicamento en un paciente?Hay por lo menos dos componentes: La actividad objetiva de la droga, como resultado de haber alcanzado una cierta concentracin en el rgano blanco. El efecto placebo y otros efectos no vinculados a sus propiedades farmacodinmicas sino a las expectativas del paciente.

Esos otros componentes son Evolucin espontnea de la condicin en tratamiento. Influencias simultneas no registradas. El efecto del placebo en el paciente. (Existe? Otros....

Existe el efecto placebo? Aunque la mayora acepta su existencia, hay datos (aislados) en contra. En un estudio sobre 114 ensayos clnicos que incluan una rama placebo y una rama sin tratamiento, NO hubo diferencia entre ambas, salvo en evaluacin subjetiva del dolor (NEJM 344:1594, 2001). Actualmente, el consenso es que existe...

Efecto Placebo Existe siempre, incluso en enfermedades claramente orgnicas, como el Parkinson. El efecto placebo es MAYOR cuanto mayor es el componente subjetivo de la dolencia en evaluacin y cuanto mejor es el centro asistencial donde se efecta un estudio. Problema implcito: no siempre es fcil detectar falta de eficacia asociada a defectos en la medicacin, especialmente a corto plazo.

Efecto Placebo(en ensayos clnicos de antidepresivos)

Efecto placebo ES 75% DE LA RESPUESTA Tomado de Enserink, Science 284:238, 1999

Efecto Placebo en SNCAumento de flujo similar en tronco cerebral y cingulus cortical rostral anterior con opiceo y con placebo (n=9) Painless. This is your brain on placebos. CREDIT: P. PETROVIC ET AL (Tomado de Holden, Drugs and Placebos look alike in the brain. Science 295:947, 2002.

Placebo en Parkinson

Liberacin de dopamina en estriado por placebo (PET con [11C]racloprida en un paciente con Parkinson). La menor imagen obtenida con placebo (solucin fisiolgica) es por ocupacin de sitios de unin de racloprida por la dopamina liberada. De la Fuente Fernndez et al., Lancet Neurol 1:85, 2002.

Qu tipos de interacciones explican la accin de las drogas? Especificas, con macromolculas que tienen funcin. La interaccin modifica la funcin (la aumenta o la disminuye). Esas macromolculas se denominan Receptores y las drogas que actan as son Drogas de Accin Especifica. No especificas, con otras molculas. Las drogas que actan as son Drogas de Accin No Especifica.

DROGAS DE ACCIN NO ESPECFICA Son las que NO utilizan receptores. Constituyen un grupo heterogneo. Ejemplos relevantes: anticidos, detergentes, drogas que son radicales, drogas que se transforman en radicales, etc. El subgrupo ms abundante es el de las drogas que son o se transforman en radicales.

Ejemplo de detergente: Benzalconio Los detergentes son molculas que se emplean para solubilizar lpidos. Pueden daar las clulas actuando sobre los fosfolpidos de la membrana. El benzalconio se emplea como antisptico (para eliminar microorganismos) y como espermicida (para matar espermatozoides). NO puede diferenciar las clulas de los agentes infecciosos y las del paciente.

RECEPTORES En Farmacologa, el concepto de receptor se desarroll a comienzos del siglo XX, a partir del estudio de sustancias microbicidas por P. Ehrlich. Descubri que algunas sustancias podan matar las bacterias que producan una infeccin sin matar el husped infectado por ellas. Las denomino QUIMIOTERPICOS y postul que las bacterias tenan RECEPTORES para los quimioterpicos y el husped no.

Cul fue la importancia del descubrimiento de Ehrlich? Adems de abrir la poca de la quimioterapia (que cambi el tratamiento de las infecciones y el cncer), demostr que algunas drogas tenan ESPECIFICIDAD (existan requerimientos estructurales complementarios entre la droga y su receptor). Estos requerimientos dan una explicacin a la existencia de ligandos de un mismo receptor con diferente accin y a la competencia entre ellos.

Receptor de AspirinaLa aspirina, sea por acetilacin irreversible (en general, salvo en plaquetas, poco relevante) o por unin del salicilato, inhibe la ciclooxigenasa (tanto la 1 como la 2).

TIPOS DE DROGAS DE ACCIN ESPECFICA Agonistas (se unen al receptor y estimulan su funcin) Antagonistas (impiden la accin del agonista) Inhibidores enzimticos (inhiben enzimas, independientemente de si existen o no agonistas) Probablemente, otros.

Dnde hay receptores? En cualquier compartimiento biolgico donde existan macromolculas con funcin. Pueden ser celulares o extracelulares. Usualmente, entre los celulares se analizan separadamente los de membrana y los intracelulares.

Determinantes polignicos de Respuesta a drogas

Tomado de Evans & McLeod, NEJM 348:538,2003

Raza y respuesta a corticoidesTanto asmticos como no asmticos, los negros (AA) eran menos sensibles a dexametasona (mayor IC50 y menor Imax) en cultivo de PMNC. Federico et al. Chest 127:571, 2005

Mtodos de estudio farmacodinmico dominantes hasta el presente rgano aislado y curva dosis-respuesta (representacin grfica de la respuesta en funcin de la dosis, en escala lineal o semilogartmica). Unin de radioligandos (ligandos del receptor marcados con istopos radioactivos) y cuantificacin de receptores y su afinidad mediante anlisis grfico (mtodo de Scatchard u otros)Contina

Mtodos de estudio farmacodinmico dominantes hasta el presente (cont.) Clonado y secuenciacin de los genes que codifican los diferentes receptores, con prediccin de la estructura y anlisis de similitudes (definicin de superfamilias, diseo de ligandos por computacin, etc.). Ajuste de datos experimentales por computadora (con algoritmos iterativos), en reemplazo de los procedimientos grficos manuales. OTROS!!!!

Conceptos asociados a la nocin de RECEPTOR La complementariedad estructural entre receptor y ligando puede existir en ms de una molcula Un receptor puede tener ms de un ligando. La complementariedad puede ser el resultado de varias interacciones qumicas, algunas ms vinculadas a la unin al receptor y otras a la regulacin de su funcin NO todos los ligandos actan de forma similar.Contina

Conceptos asociados a la nocin de RECEPTOR (continuacin) La cantidad de receptores disponibles es limitada en determinadas ocasiones (frente a exceso de ligando) es insuficiente; puede existir competicin entre distintos ligandos. Por el mismo motivo podra existir saturacin de los receptores, sin embargo la misma es slo terica (en concentracin infinita de ligando). La respuesta mxima en la curva dosis-respuesta es usualmente dependiente de algn paso limitante en la va de sealizacin.

Modelos a considerar De membrana Superfamilia de receptores acoplados a protenas G (modelo: adrenrgicos y opioides). Canales inicos (canal de sodio voltajedependiente y receptor GABAA). Receptores que son o reclutan tirosina kinasas (receptor de insulina) Intracelulares Superfamilia de receptores de esteroides

Superfamilia de receptores acoplados a protenas G

RECEPTORES ACOPLADOS A PROTENAS G

Ji TH et al. J Biol Chem 273:17299, 1998

Mediadores lipdicos: PGs, LTs, anandamida, etc.

Ciclo de la anandamida, un canabinoide. AEA: anandamida.

Barnett-Norris et al. Life Sci 77:1625, 2005.

Un mismo ligando puede usar diferentes receptores...Un ligando lipdico, la prostaciclina (PGI2) acta sobre receptores de membrana (GPCR) e intracelulares (PPAR-H). Adems, tiene diferentes niveles de accin.

Nasrallah & Hebert, Am J Physiol Renal Physiol 289:F235, 2005

Receptor de TSHLos 7 TMD se ven como espirales violetas. LRR repeticiones ricas en leucina, tiene 9 en dominio externo. Tomado de Davies et al., JCI 115:1972, 2005.

Mutaciones del receptor de TSH

Distintas mutaciones, en la lnea germinal o adquiridas, pueden producir inactivacin o activacin constitutivas del receptor. Tomado de Davies et al., JCI 115:1972, 2005.

RECEPTOR DE PROTEASAS

Sealizacin por proteasas en neuronas aferentes

Cottrell et al., Biochem Soc Trans 31:1191, 2003

Receptores acoplados a protenas G

Lefkowitz RJ. N Engl J Med 332:186, 1995

Internalizacin de GPCR

Scott et al., Med. Sci. 20:78, 2004.

Efectos rpidos y lentos de GPCRUn mismo GPCR (en este caso, un receptor 5-HT que activa Gs) puede tener diferentes efectos, por ejemplo algunos rpidos (como modificar la tasa de liberacin de un neurotransmisor) y otros lentos (por ej., por regulacin transcripcional de un gen por CREB tras ser fosforilado por PKA)

Nivel de GPCR en la membrana La magnitud de la respuesta depende de la cantidad de receptores disponibles en la superficie celular. sta depende de tres procesos de trfico intracelular finamente regulados: Exportacin Internalizacin Degradacin Duvernay et al.,Cell Signal 11:en prensa, 2005

AMPc y proliferacinEl AMPc puede regular MAPK de diversas maneras

Stork & Schmitt Trends Cell Biol 12:258, 2002.

Puede ser incluso ms complejo!cAMP-GEF es EPAC, por Exchange Protein directly Activated by cAMP

Stork & Schmitt Trends Cell Biol 12:258, 2002.

Protenas G Incluyen diversas protenas con capacidad de ligar nucletidos de guanina (tanto GDP como GTP). En trminos generales, la forma con GTP es activa y la forma con GDP es inactiva. Tienen funcin de GTPasa Incluyen al menos dos familias importantes en F1: Protenas G de bajo peso molecular Protenas G heterotrimricas (en membrana) Ambas participan en sealizacin por GPCR

Protenas G heterotrimricas Incluyen 4 subfamilias, de acuerdo a las subunidades alfa: Gi Gq Gs G12

Blancos identificados de protenas G heterotrimricas Adenilciclasa Varias fosfolipasas (A2, C y D) Varios canales inicos (por ejemplo, de K+ o Ca++) p115 RhoGEF Varios otros En conjunto, en los esquemas previos o siguientes, aparecen mencionados como efectores

Forma general de regulacin: activacin Para activarlas, se requiere la unin de GTP a la protena. En forma general, el mecanismo es disociacin de GDP y su reemplazo por GTP (presente en mayor concentracin). El saldo neto es el intercambio de un nucletido de guanina (GDP) por otro (GTP). Para las heterotrimricas, la protena que genera este intercambio es el GPCR; para las pequeas, las protenas GEF.

Protenas GEF GEF es por Guanine Exchange Factor (Factor intercambiador de nucletidos de guanina). En humanos se han identificado al menos 69 Rho GEFs, de las cuales varias son reguladas por GPCR y otras por receptores que son tirosina kinasas.

Superfamilia RasSon protenas G de bajo peso molecular Incluye ms de 100 genes diferentes Se clasifican en subfamilias (Ras, Rab, Arf, Ran, Rho) Funciones celulares complejas, heterogneas y especficas. Dos de las subfamilias (Ras y Rho) estn involucradas en proliferacin descontrolada e invasividad en tumores.

Entre los blancos de GPCR se encuentran las protenas G de bajo PM como RhoVarios GPCR (de bombesina, trombina, LTB4, etc.) activan, va la subunidad alfa de G12/13, un Rho GEF (el GEF que toma Rho como sustrato). Hay al menos 22 Rho GTPasas humanas. Veamos el proceso con ms detalle...

Intercambio de GDP por GTP en Rho

Rossman et al., Nat Rev Mol Cell Biol 6:167, 2005

GEFEl rol de GEF (DH/PH en el esquema) es permitir la entrada del GDP. Rossman et al., Nat Rev Mol Cell Biol 6:167, 2005

Peculiaridades de activacin de p115 RhoGEF Varios receptores conducen a la activacin de G12/13 que a su vez activa p115 RhoGEF Ejemplos: trombina, bombesina, LTB4, FMLP, etc. p115 RhoGEF tiene dos actividades funcionales: un dominio GEF activa Rho (ver esquemas previos) y un dominio RGS que inactiva G12/13. En resumen manda la informacin pero cierra el circuito.

Puede ser ms complicado...

Johannes et al., Nature 400;820, 2000.

Duracin de las seales a travs de GPCR Usualmente, segundos a horas, pero las consecuencias pueden ser mucho ms prolongadas (a veces, irreversibles, como la induccin de apoptosis por adenosina). Depende de eventos a nivel de: Los receptores; especialmente inactivacin por GRK (al menos 7); Las protenas G: principalmente protenas con funcin GAP (GTPase activating protein), como las protenas RGS (Regulator of Gprotein signalling).

Ciclo de nucletidos de guanina en protenas G trimricasNtese que GTP y GDP estn invertidos!!!

D

Algunos eventos gatillados son muy prolongadosDiferenciacin, muerte o cambios persistentes (a los fines prcticos, irreversibles o casi). Ej.: farmacodependencia

Sistema dopaminrgico mesolmbico

Cambios en sensibilidad de Gi

Otro ejemplo: diferenciacin muscular

Pourqui, O. Nature 433:208, 2005

Cmo funcionan los GPCR? Paradigma tradicional: actan como monmeros en la membrana. Versin alternativa: en los ltimos aos se ha demostrado que muchos de ellos (especialmente de pptidos) dimerizan u oligomerizan, con otros GPCR (incluso homodmeros) o con otras protenas de membrana (Rashid et al., Endocrinology 2004). Ejemplos....

Oligomerizacin de GPCR Homo-oligomerizacin: AT1 (angiotensina); B2 (bradiquinina); , O y H (opioides), sstR2 (somatostatina), otros. Hetero-oligomerizacin: Dentro de la misma familia: AT1-ATn (angiotensina); -y O-H (opioides); sstR1-sstR5 y sstR2A-sstR3 (somatostatina), otros. Entre miembros de diferentes familias: AT1-B2; sstR2-D2 (dopaminrgico). Con otras protenas de transmembrana: CRLR (calcitonin receptor-like receptor) con RAMP1 o RAMP2 (Receptor Activity Modifying Protein).

Oligomerizacin de GPCR

Rashid et al., Endocrinology, 2004.

Para qu puede servir?Aunque no se sabe con precisin, puede permitir la unin de ligandos bivalentes (esquema a la izquierda), para optimizar reclutamiento de -arrestina (define direccionamiento) u otras propiedades. Maggio et al., FEBS J 272:2939, 2005

CANALES INICOSMltiples drogas afectan canales inicos, tanto de los fisiolgicamente regulados por potencial como por ligandos o por ambos. En esencia, los efectos son el resultado de abrir o cerrar el canal, directa o indirectamente. Las consecuencias pueden ser muy heterogneas. Para decir que el canal es el receptor de una droga se requiere que la droga se ligue al canal.

Canal de

+ K

en repolarizacin cardaca

Este canal es el blance de numerosas drogas que lo bloquean, algunas en las que se aprovecha el efecto de bloqueo, y otras, numerosas, en las que el bloqueo es el responsable de efectos adversos (tpicamente, prolongacin del QT y arritmias)

SUR (receptor de sulfonilureas)

Canales de Potasio sensibles a ATP. A la derecha, la subunidad formadora del poro (KIR6.x) y a la izquierda la subunidad regulatoria (SURx). SUR tiene 17 segmentos de transmembrana.agrupados en 3 dominios (T0-T2). Aparecen sealados otros dominios funcionales. Shi et al., J Mol Cell Cardiol 39:51, 2005

Distribucin de SURSUR es el sitio de unin de drogas que lo abren (abridores de canales de K+), en F2, y drogas que lo cierran (por ej. las sulfonilureas, hipoglucemiantes a ver en F1).

Shi et al., J Mol Cell Cardiol 39:51, 2005

RECEPTOR GABA-A

Klausberger T et al. J Biol Chem 275:8921, 2000

Tiene varios sitios

Belelli & Lambert, Nat Rev Neurosci. 2005; 6:565-75

Visto desde arribaA indica el sitio propuesto de unin de agonistas (GABA, etc) y M el de BDZ

Transmisin por GABA 2 receptores: GABA-A (ampliamente distribuido en tejido neural, pre y post-sinptico, es canal de Cl-) GABA-B (acoplado a protenas G, en general funciona como heterodmero, aumenta conductancia a K+ o inhibe la de Ca++) GABA-A tiene mltiples sitios de unin para diversas drogas, incluyendo benzodiazepinas, barbitricos y otras.

Diferentes modos de activacin

Farrant & Nusser, Nat Rev Neurosci. 2005; 6:215-29. a) Una vescula individual slo activa receptores prximos. b) Un potencial de accin libera mayor cantidad, activando receptores sinpticos, perisinpticos y extrasinpticos. c) Una concentracin baja pero persistente activa stios extrasinpticos de alta afinidad

GABA-A Pertenece a amplia superfamilia, ms relacionado con receptor de glicina que con nicotnico o 5-HT3. Pentmero con 5 subunidades, en proporciones variables. Se han identificado 19 subunidades diferentes en mamferos, agrupadas en 7 familias por similitud de secuencia: E (1 a 6), F (1 a 3), K (1 a 3), H, I, *, T y V (1 a 3, probablemente definan GABA-C).

GABA-A (cont.) Cada subunidad tiene 4 dominios de transmembrana (el M2 se supone que bordea el canal; el M1 involucrado en unin de la mayora de los ligandos), largo N-terminal extracelular, sitios de glicosilacin, asa de cistena conservada. Entre M3 y M4, larga asa con mltiples sitios de fosforilacin por proten-kinasas. Las combinacines POSIBLES son cientos de miles, aunque las identificadas son mucho menos. Adems, tienen splicing diferencial.

Distribucin de subunidades Algunas subunidades tienen distribucin restringida: E5 en clulas piramidales del hipocampo, E6 en clulas granulares del cerebelo y V1 en neuronas bipolares de la retina. La distribucin exacta de subunidades en receptores nativos es desconocida, aunque probablemente 50% tengan la conformacin E1F2E1F2K2). En la mayora, GABA se une en interfase entre E y F, y las BDZ en la interfase entre E y K.

Farmacologa de GABA-A En general, hiperpolariza por influjo de Cl-. Tempranamente en desarrollo, y excepcionalmente en vida adulta, puede haber eflujo y despolarizacin (con concentracin muy alta de Cl- intracelular). Usualmente, cooperatividad positiva entre agonistas. Algn grado de dependencia de voltaje. En l se unen y actan mltiples drogas!!!

Receptor GABAA y drogas

Rudolph & Mhler Annu Rev Pharmacol Toxicol. 2004; 44:475

Farmacologa de GABA-A Agonistas como muscimol y antagonistas como bicuculina actan en el sitio de unin del GABA (o en su inmediata vecindad). En el canal de Cl hay sitios de unin para convulsivantes como picrotoxina, que lo bloquean. Tambin insecticidas como el lindano. En un sitio diferenciado se unen los barbitricos (prolongan el tiempo de apertura, y en el extremo, abren el canal). Similar efecto, en un sitio diferente, ejercen los neuroesteroides.

Farmacologa de GABA-A (cont.) Por mecanismos controvertidos, tambin los anestsicos inhalatorios (como halotano) lo modulan positivamente). Id. para el alcohol etlico, que puede incluir efectos directos e indirectos (va neuroesteroides). El sitio de benzodiazepinas, heterogneo, da unin a diversos moduladores positivos y negativos. El tipo I se asocia con subunidad E1, en tanto que variantes del tipo II se asocian con E2, E3 y E5. Ligando endgeno ms probable: DBI.

Efecto de BDZ

Conductancia al cloro estimulada por GABA en neuronas de mdula espinal de pollo Las BDZ inducen un corrimiento a la izquierda de la curva dosis-respuesta de GABA. Tomado del sitio web de la Universidad de Emory.

Tirosina KinasasInvolucra protenas fosforilables en tirosina y su reconocimiento por otras protenas que tengan dominios SH2.

Receptor de Insulina

Tomado de Principles of Biochemistry, de Lehninger (2000)

Insulina, su receptor e IRS-2

Tomado de Avruch A. Nature 391:846, 1998.

Sealizacin por Jak/Stat activada por IFNs

Brierley & Fish, J IFN Cytok Res 25:733, 2005

Eritropoyetina

Familia de ligandos y receptores de VEGF

Zachary, Biochem Soc Trans 31:1171, 2003

Sealizacin por VEGF

Zachary, Biochem Soc Trans 31:1171, 2003

RECEPTORES DE ESTEROIDES

Otros miembros de la familia de receptores nucleares PPAR-E PPAR-F/H PPAR-K Todos ellos forman heterodmeros con RXR en forma ligando-dependiente. Sus ligandos naturales incluyen cidos grasos y eicosanoides; fibratos son agonistas PPAR -E y tiazolidinadionas son agonistas PPAR -K.

RECEPTORES DE ESTEROIDES

RECEPTORES DE ESTEROIDES: Secuencia de Eventos Interaccin con el ligando que induce cambio conformacional y disociacin de chaperonas. Traslocacin nuclear e interaccin con otras protenas nucleares. Dimerizacin (homo o heterodmeros). Regulacin transcripcional.

NF-OB

ACCIN DEL RECEPTOR DE GLUCOCORTICOIDES SOBRE NF-OB

Tomado de De Bosscher et al., PNAS 97:3919, 2000

Interaccin GR-Stat5

Tomado de Groner, Domest Anim Endocrinol 2002; 23:25

Receptor de Andrgenos

Wang et al., Prostate 63:117, 2005

PPAROtros miembros relevantes de la familia son los PPAR (alfa, beta/delta y gama). Los alfa son activados por fibratos (hipolipemiantes, F2) y los gama por tiazolidinadionas (hipoglucemiantes). Fisiolgicamente, por varios cidos grasos y eicosanoides.

Moraes et al., Pharmacol Ther 110:371, 2006

CONSECUENCIAS DEL MECANISMO DE ACCIN Perodo de latencia para el comienzo de accin, diferente para distintas acciones y la misma accin en distintas clulas. Diferente duracin para diferentes acciones, con cintica distinta en varios tejidos. Disociacin entre concentracin plasmtica y efecto. Diferencias entre distintos ligandos del receptor.