31
Receptor Theory & Toxicant-Receptor Interactions Richard B. Mailman

2008 Receptor Theory

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 1/31

Receptor Theory&

Toxicant-Receptor Interactions

Richard B. Mailman

Page 2: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 2/31

Some examples of receptors

1

E2

R E1

ligand

β  γ

β γ

α α

2Ion

R R

ligand

ligand

nucleus

R

R

3 ligand

E

R R

4

R R

ATP

ADP

P

ATP

ADP

PP

P

Page 3: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 3/31

What is a receptor?

• To a neuroscientist

– A protein that binds a neurotransmitter/modulator• To a cell biologist or biochemist

– A protein that binds a small molecule

– A protein that binds another protein

– A nucleic acid that binds a protein• To a toxicologist

– A macromolecule that binds a toxicant

• Etc.

Page 4: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 4/31

Definitions

• Affinity:

– the “tenacity” by which a ligand binds to its receptor• Intrinsic activity (= “efficacy”):

– the relative maximal response caused by a drug in a tissue preparation. A full

agonist causes a maximal effect equal to that of the endogenous ligand (or

sometimes another reference compound if the endogenous ligand is not

known); a partial agonist causes less than a maximal response.

– Intrinsic efficacy (outmoded): the property of how a ligand causes biological

responses via a single receptor (hence a property of a drug).

• Potency:

– how much of a ligand is needed to cause a measured change (usuallyfunctional).

Page 5: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 5/31

Radioactivity Definitions

• Curie: 1 Ci = 2.22 x 1012 disintegrations/min (dpm)

• Becquerel: 1 Bq = 60 disintegration/min– The Bq has replaced Ci in the SI system

• Efficiency: the percentage of dpm that are actually captured (cpm)

– What affects this?

• Specific activity: how many moles of radioactive atom are on each

radioactive molecule

– Usually expressed in radioactivity units per unit of mole

– Why is this important to a toxicologist?

Page 6: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 6/31

Radioactivity Principles

• Specific activity depends ONLY on half-life, and is totally

independent of mode or energy of decay.

• When decay occurs for all of the biologically important isotopes

(14C; 3H; 32P; 35S; 125I; etc.), the decay event changes the chemical

identity of the decaying atom, and in the process, destroys themolecule on which the atom resided.

– e.g., 3HHe

– Do NOT adjust the specific activity of your radiochemical based on decay – for

every decay, there is a loss of the parent molecule.

Page 7: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 7/31

Drug-Receptor Interactions

Ligand + ReceptorLgand-Receptor

Complex

Response(s)

Page 8: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 8/31

Bimolecular Interactions:

Foundation of Most Studies

Ligand + Receptor Ligand-Receptork on

k off 

[Ligand] [Receptor] k [Ligand Receptor] kon off  ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅

Rearrange that equation to define the equilibrium dissociation constant KD.

[Ligand] [Receptor]

[Ligand Receptor]

k

kKoff 

on

D

⋅= =

At equilibrium:

Ligand + ReceptorLigand-Receptor

Complex Response(s)

Page 9: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 9/31

Saturation Equations

F+K

B*F

D

max= B

Fractional occupancy

[Ligand]

[Ligand] K D= +

 D D K 

 B B

K F 

 B max1+−=

Michealis-Menten form

Scatchard form

Page 10: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 10/31

Linear & Semilog

0 20 40 60 80 100

Free

Linear Plot

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

      B     o    u

     n      d

-2 -1 0 1 2log [Free]

Semi-Log Plot

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

      B     o    u     n      d

Page 11: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 11/31

Saturation Equations

F+K

B*F

D

max

= B

Fractional occupancy [Ligand][Ligand] K D

=+

 D D K  B B

K F  B max1 +−=

Michealis-Menten form

Scatchard form

Page 12: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 12/31

Calculations from Basic Theory (I)

log [competing ligand] (M)

   S  p  e  c   i   f   i  c   B   i  n   d   i  n  g

   (   %   )

10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3

0

25

50

75

100

91%

9%

100-fold

Commit this to memory!!!!!

Page 13: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 13/31

Saturation Radioreceptor Assays

unbound labeled drug +

unbound test drug

drug-receptorcomplex

radiolabeled

drug

receptor

preparation

FiltrationBeta

Counter

Tissue

Preparation

Page 14: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 14/31

Characterizing Drug-Receptor Interactions:

Saturation curves

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Radioligand Added (cpm x 1000)

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    A                                                                                                                                                                                                                                                    m                                                                                                                                                                                                                                                    o     

                                                                                                                                                                                                                                                u                                                                                                                                                                                                                                                         n

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      t                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      B

                                                                                                                                                                                                                                                    o                                                                                                                                                                                                                                                     u                                                                                                                                                                                                                                                         n

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              d      Specific Binding! (calculated)

Non-Specific

Total Binding

800

600

400

200

0

Page 15: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 15/31

Saturation Equations

F+K

B*F

D

max= B

Fractional occupancy[Ligand]

[Ligand] K D

=+

 D D K 

 B BK F 

 Bmax

1+−=

Michealis-Menten form

Scatchard form

Page 16: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 16/31

Page 17: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 17/31

Competition Radioreceptor Assays

unbound labeled drug +

unbound test drug

drug-receptorcomplex

radiolabeled

drug

receptor

preparation

test

drug

FiltrationBeta

Counter

Tissue

Preparation

Page 18: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 18/31

Competition Curve

log [ligand] (nM)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.10.01 1.0 10 100

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        T                                                                                                                                                                                                                      o   

                                                                                                                                                                                                                                                                                t                                                                                                                                                                                                                            a                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     l  

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        B                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                i                                                                                                                                                                                                                        n                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              d   

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                i                                                                                                                                                                                                                        n                                                                                                                                                                                                                        g                                                                                                     

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             (                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  d                                                                                                                                                                                                                           p                                                                                                   

                                                                                                                                                                                                                        m                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            *                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            1                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            0     

                                                ,                                                                                                                                                                                                                                                                                        e   

                                              .                                                                                                                                                                                                                              g                                                                                                                                                   .                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    )                                                                                  

IC50

Top

Bottom

Specific

Binding

NSB

Page 19: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 19/31

Calculations from Basic Theory (I)

log [competing ligand] (M)

   S  p  e  c   i   f   i  c   B   i  n   d   i  n  g

   (   %   )

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

0

25

50

75

100

90%

10%

81 Fold

Page 20: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 20/31

Calculations from Basic Theory (II)

log [competing ligand] (M)

   S  p  e  c

   i   f   i  c   B   i  n   d   i  n  g

   (   %   )

10-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

10-3

0

25

50

75

100

91%

9%

100-fold

Commit this to memory!!!!!

Page 21: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 21/31

Competition Curves

Log [ligand] (nM)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.10.01 1.0 10 100 1000

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            S                                                                                                                                                                                                                             p                                                                                                   

                                                                                                                                                                                                                      e                                                                                                                                                                                                                         c   

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                i                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                f                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                i                                                                                                                                                                                                                      c                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           B                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                i

                                                                                                                                                                                                                        n                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              d                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   i                                                                                                                                                                                                                        n

                                                                                                                                                                                                                        g                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 (                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              %

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              )                                                                                  

B

A

Page 22: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 22/31

Concentration (nM)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.10.01 1.0 10 100 1000

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            S                                                                                                                                                                                                                             p                                                                                                   

                                                                                                                                                                                                                      e                                                                                                                                                                                                                         c                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   i                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                f                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                i                                                                                                                                                                                                                      c   

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        B                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                i                                                                                                                                                                                                                        n

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              d                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   i                                                                                                                                                                                                                        n

                                                                                                                                                                                                                        g                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 (                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              %

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              )                                                                                  

A DCB

Page 23: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 23/31

Schild Analysis: Functional effects & antagonists

Log Agonist Concentration (M)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

-10-11 -9 -8 -7 -6

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        R                                                                                                                                                                                                                      e                                                                                                                                                                                                                         s                                                                                                                                                                                                                           p                                                                                                   

                                                                                                                                                                                                                      o                                                                                                                                                                                                                           n

                                                                                                                                                                                                                      s                                                                                                                                                                                                                         e                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               (                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            F

                                                                                                                                                                                                                        r                                                                                                                                                                                                                      a                                                                                                                                                                                                                           c                                                                                                                                                                                                                                                                                   t                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      i                                                                                                                                                                                                                      o   

                                                                                                                                                                                                                        n                                                                                                                                                                                                                       o   

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                f                                                                                                                                                                                                                         m

                                                                                                                                                                                                                      a                                                                                                                                                                                                                         x                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                i                                                                                                                                                                                                                       m

                                                                                                                                                                                                                      a                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     l                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              )                                                                                  

Control

(agonist with no

antagonist)

+ Increasingconcentrations

of antagonist B

Raw Data

Page 24: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 24/31

More Advanced Concepts of Receptor Theory

Page 25: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 25/31

Spare receptors and “full agonists”

αD1

E1

β  γ

E2

α

RE1

β  γ

cAMP stimulation

????

????

D1 D1

Page 26: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 26/31

Full & Partial Agonists

Concentration (nM)

0

20

40

60

80

100

Full agonist

Partial agonist

                                                                                                                                                              (                                                                                                                                                                                                       %                                                                                                           s                                                                                                                                           t                                                                                                                                                                   i

                                                                                                            m                                                                                                          u   

                                                                                                                                                                l                                                                                                           a                                                                                                                                            t                                                                                                                                                                   i                                                                                                           o                                                                                                               n

                                                                                                            r                                                                                                           e                                                                                                                                                                   l                                                                                                           a                                                                                                                                            t                                                                                                                                                                   i

                                                                                                          v                                                                                                               e   

                                                                                                                                        t                                                                                                               o                                                                                                                                                                  d   

                                                                                                           o                                                                                                               p                                                   

                                                                                                           a                                                                                                                m

                                                                                                                                                                i                                                                                                             n                                                                                                           e   

                                                                                                                                                               )                                         

                                                                                                                                                                                                                      c                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             A                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        M

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        P                                                                                                                                                                                                                       s                                                                                                                                                                                                                        y                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           n

                                                                                                                                                                                                                                                                                t                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      h                                                                                                                                                                                                                      e                                                                                                                                                                                                                         s                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    i                                                                                                                                                                                                                      s    

1 10 100 1000 10000 100000

Page 27: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 27/31

Normal Agonist F.S. Drug

D2R

G-protein α

βγ

 No activation

A B

C D

Functional

Complex

#1

Functional

Complex

#2

Ligand #1

Typical Agonist

Ligand #2

Functionally Selective Agonist

α

βγ

Functional Selectivity

Page 28: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 28/31

Therapeutic consequences:

Traditional Drug

•TherapeuticEffect

•SideEffect

Page 29: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 29/31

Therapeutic consequences:

Functionally Selective Drug

•TherapeuticEffect

•SideEffect

Page 30: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 30/31

Functional selectivity:

JPET, January 2007

tissue or organism. Besides the heuristically interesting natureof functional selectivity, there is a clear impact on drug discov-ery, because this mechanism raises the possibility of selectingor designing novel ligands that differentially activate only asubset of functions of a single receptor, thereby optimizingtherapeutic action. It also may be timely to revise classic con-

Page 31: 2008 Receptor Theory

8/8/2019 2008 Receptor Theory

http://slidepdf.com/reader/full/2008-receptor-theory 31/31

August 2007