مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 1: Principles of Drugs Therapy

 

 

 

Pharmacology

:

 represents the scientific study of the 

origin, nature, chemistry, effects, and uses of drugs. 
5 branches of pharmacology (as we see in the figure below). 

 

 

 

  Pharmacodynamics: the study of the biochemical and 

physical effect of drugs and the mechanisms of drug 
actions in living organisms.  

  Pharmacokinetics:  deals with handling of drugs by the 

body (refers to the absorption, distribution, metabolism 
and excretion of drug in a living organism. 

  Toxicology: represents the study of undesirable effects of 

drugs in living organisms. 

  Pharmacotherapeutics: is the application of drugs for 

treatment of disease. 

  Pharmacognosy: deals with natural drugs (that is-plants, 

animals or minerals and their products. 
 

 

Drug

:

 small molecules that when introduced into the 

body, it alters the body’s function by interaction with the 
molecular of the cells. 
-A prescription drug can only be used safely under the 
supervision of a health care professional who is licensed 
to prescribe or dispense drugs according to state law. 
Drugs are used in three principal ways: to cure disease, to 
suppress disease or to prevent disease. 
 

Characteristic of drugs

 

3 essential points are important in drugs: 

  Molecular Shape: The drugs interact with specific sites 

within the target tissue called receptors. The shape of the 
receptor site decided what kind of drug molecule may 

interact with it. As the optimal fit increased, the response 
to the drug increased too. 

  Molecular size: The majority of drugs have molecular 

weight range from 100 to 1000 which enables them for 
convenient administration and efficient absorption and 
distribution. 

  Chemical nature: drugs are either highly active or inert. 

Many drugs are either weak acids or weak bases. The 
electrical charge of molecules is an important issue to be 
considered when we explain the tissue drug interaction. 
   

Drug nomenclature

   A drug has at least three names: 

chemical, generic and trade. To avoid confusion we use 
the generic name. 
  
Chemical name         Generic name             Trade name 
---------------------------------------------------------------------- 

  6-chloro-2H-1,2,4-ben-     Chlordiazepoxide     Librium 

zothiadiazine-7-sulfona- 
mide 1,1-dioxide 

  7-chloro-1,3-dihydro-1-      Diazepam               Valium 

methyl-5-phenyl-2H-1,4- 
benzodiazepine-2-one 

  ethyl 1-methyl-4-phenyli-    Meperidine          Pethidine   

sonipecotate hydrochlo- 
ride  
methyl 7-chloro-6,7,8-trideoxy- 
6-(1-methyl-trans-4-propyl-L-2 
-pyrrolidinecarboxamido)-1 
-thio-L-threo-α-D-galacto 
-octopyranoside-2-0- 

  dihydrogen phosphate.         clindamycin          Dalacin 

 

Mechanism of drug action: 

1)  drug acts on cell membrane: by 

a.  Action on specific receptors: that the drugs changes the 

functional macromolecular component of the cells, causes 
the alteration of the cellular components. The part when 
the drug acts is called the receptor. The living system 
contains many types of receptors. For one drug there is 
one receptor (specific receptor) or more than one type of 
receptor e.g Histamine acts on two types of receptors H

1

 

and H

2

. Ach acts on muscarinic and nicotinic receptors. 

b.  Interference with selective passage of ions across 

membrane e.g Ca+2 channel blocker as with Nifedipine, 
Diltiazem and Verapamil ( anti-hypertension ) . 


background image

Unit 1: Principles of Drugs Therapy

 

 

 

c.  Inhibition of membrane bound enzyme and pump. 

Inhibition membrane bound ATP

ase

 by cardiac glycoside 

in treatment of heart failure (as by digoxin). Inhibition of 
the pump as by tricyclic antidepressants 
(chloropromazine). 

d.  Physiochemical effects. These types of drugs appear to 

act on lipid, protein and water constituents of the nerve 
cells as e.g. with general anesthetic agent (Halothane) and 
local anesthetic agent (Lidocaine). 

 

2)  Drug acts on metabolic processes within the cell: 

a.  Enzyme inhibition. As with cholinesterase enzyme by 

pyridostigmine, Xanthine oxidase enzyme by Allopurinol 
(reduces the production of uric acid) and Monoamine 
oxidase (inactivate the nor-epinepherine, serotonin and 
dopamine) by phenalzine. 

b.  Through inhibition of transport processes across the 

cells e.g. blocked of anion transport in the renal tubules 
cells by Probencid, this can be used to delay excretion of 
pencillin and to enhance elimination of urease. 

c.  Through incorporation into large molecules e.g 5-

Fluorouracil (anticancer) into 

m

RNA in place of amino 

acid Uracil. 

d.  In case of antimicrobial agent, by altering metabolic 

processes of the m.o  as e.g penicillin interfere with the 
formation of bacterial cell wall. 

 

3)  Drug acts outside of the cells: 

a.  Chemical action. Some drugs react chemically with 

known simple chemical equation e.g. 
  Antacids as aluminum hydroxide which neutralized 

the acidity of stomach. 

  Dimercaprol (BAL) antagonise the effect of non-

organic substances such as Hg, Cd. 

b.  Physical action (through osmosis) e.g. 1.liquid paraffin 

which acts as laxative. 2.MgSo

4

, Caster oil which act as 

purgative.Mannitol which acts as diuretic. 
 

Receptors:  

  Is a component of the cell, most of them are protein 

macromolecules when agonist (drug that activate receptor) 
binds to receptor will undergo a serious of alteration in 
conformation which induce changes in system within the 
cell that in turn bring the response to the drug. 

  e.g. activation of ß-adrenoceptors by a catecholamine as 

adrenaline (the first messenger) increases the activity of 
adenylate cyclase which raises the rat of formation of 

c

AMP (second messenger) a modulator of the activity of 

several enzyme that cause the cell to act. 

  Radioligand binding studies have shown that the receptor 

number do not remain constant, when tissues are exposed 
continuously to an agonist (is a drug that has affinity and 
intrinsic activity or efficacy) the number of receptors 
decreases (down-regulation) and this may be a cause of 
tachyphylaxis which means (loss of response or efficacy) 
due to frequent repeated doses e.g in asthmatic patients 
(using adrenoceptors agonist which are bronchodilator). 

  In case the tissues when exposed continuously to 

antagonist (is a drug that has affinity without efficacy) 
this lead to formation of new receptors, as with ß-
adrenoceptor blockers agent (antihypertensive agent). 
This is called up-regulation. Withdrawal of this agent may 
cause angina pectoris. 

 

Drug receptor interaction: 

  In classical receptor, there is a theory developed by Clark. 

It was assumed that drug effect is proportional to the 
fraction of receptor occupied by drug, and that maximal 
effect results when all receptor are occupied.  

 

At equilibrium the rate of forward and backward are equal. 

  When we have much quantities of receptors so the 

binding of these quantities of receptors depend on the 
concentration of drug. At high concentration of drug there 
is a high binding and high response, if the concentration 
of a drug decreases there is a decrease in the response. 

  Quantitative description of drug action: 

As we see in the following equation at equilibrium 
condition: 

 

 
If K

d

 is low that means K

 is less; the drug with high 

affinity. If half of receptors are bound to a drug the 
concentration of R and DR is equal. 

 

So the concentration of a drug necessary to bind 50% of 
receptor equal the K

d

 

 


background image

Unit 1: Principles of Drugs Therapy

 

 

 

Dose response curve: 

It is plotted between the biological effect of the drug in 
the vertical axis and the log dose on the horizontal axis as 
in the following figure. 

                                       

This figure shows typical dose response curve for drugs 
showing differences in potency and efficacy. 
Drug A is more potent than drug B, but both drugs have 
the same maximum effect (efficacy). 
Drug C shows lower potency & efficacy than drug A or B. 

Types and location of receptors: 

A.  Ligand gated ion channel: they are responsible for 

regulation the flow of ions across cell membrane. The 
activity of these channels is regulated by the binding of a 
ligand to the channel as e.g nicotinic acid. Stimulation of 
the nicotinic receptors by acetylcholine results in Na 
influx and that generates an action potential like 
activation and contraction of skeletal muscle cells. Other 
e.g group of benzodiazepine compounds as diazepam 
(valium). It enhances the stimulation of GABA receptors, 
this result in increasing Cl influx or hyperpolarization. 

B.  G protein coupled receptors: binding of appropriate 

ligand to extracellular region of the receptor activates the 
G protein which have three subunits (α,β andÝ). G protein 
releases guanosin diphosphate then change to  guanosin 
triphosphate in α subunit, leads to activates adenyl 
cyclase. When ligand (as hormone) is no longer present, 
the receptor reverts to its resting state. GTP on the α 
subunit is hydrolysed to GDP and adenyl cyclase is 
deactivated. 

C.  Enzyme linked receptors: e.g of these receptors are 

insulin receptors and others having a Tyrosin kinase 
activity as a part of their structure. when the ligand binds 
to the receptor subunit, the receptor undergoes 
conformational changes (converting from its inactive 
form into an active kinase form). 

D.  Intracellular receptors: differ from other three types of 

receptor is entirely intracellular therefore, the ligand must 
diffuse into the cell to interact with the receptor. 

-the ligand must be sufficiently lipid soluble to move 
across membrane easily attached to plasma albumin as 
steroid hormones. 
-the activated ligand-receptor complex migrates to the 
nucleus, resulting in regulation of Gene expression. 
Cellular responses are not observed until considerable 
time elapsed (30 minutes or more) and duration of 
response will be "hours to days"  
 

Definitions: 

  Affinity

is the ability of the drug to form a combination 

with the receptor. 

  Efficacy

is the ability of the drug to produce a response. 

  Agonists

is a drug that has affinity and efficacy. 

  Antagonists:

 is a drug that has affinity without efficacy. 

  Partial agonists

is a drug that has affinity and some 

efficacy and it has the ability to antagonise the action of 
other drug that has higher efficacy (this type of drug has 
both agonist and antagonist action). 

  Inverse agonists

Some substances produce effects that 

are specifically opposite to those of agonist. e.g action of 
Diazepam on Benzodiazepine receptors in CNS produces 
sedation, anxiolysis, muscle relexation and controls 
convulsions, β-carbolines which also bind to this receptor 
cause stimulation, anxiety, increase muscle tone and 
convultion they are inverse agonists.       

 

  ED

50

:

 the dose of the drug that produces 50% of 

maximum response. 

  LD

50

:

 the dose of the drug that kill 50% of experimented  

animals. 

  TD

50

 (medium toxic dose): 

the dose which is required to 

produce toxic effect in 50% of animals. 
-so the dose we need for a particular effect should be 
small and its named effective dose and if this dose 
increase, it will show a toxic effect then it is called toxic 
dose and if we increased the dose to a lethal level it will 
cause death and then we name it lethal dose. 

 

  Potency:

 The response that produced by a drug per unit weight. 

  Additive effect: 

when the combined effect of two drugs 

is the sum of individual action. Alcohol with ether. 

  Drug dependence: 

is a state arising from repeated or 

continuous administration of drugs.The subject feels a 
desire to continue using the drug. Treatment of drug 
dependence by using alternative drug as in case of heroin 
we use methadone, in case of alcohol we use diazepam 

  Idiosyncrasy:

 represents the qualitative abnormal 

reaction to a drug due to genetic abnormality. 
 


background image

Unit 1: Principles of Drugs Therapy

 

 

 

  Tolerance:

  

It develops when the dose is increased to get the effect of 
a previously administrated smaller dose, e.g.  

1)  There is natural tolerance which is not induced by the 

drug but it is due to inherent factors i.e pharmacogenetic 

2)  Acquired tolerance which is developed after a prolonged 

time of using a drug. acquired tolerance is familiar 
especially with opioids. It is due to pharmacological 
efficacy at receptor site or down-regulation of receptor.   
It is divided: 
a)  Reduced efficacy at receptor site as in opioids. 
b)  Enzyme induction (increased metabolism) as in 

alcohol. The effect of drug is reduced so we need large 
dose of drug to produce previous response. 

c)  Cross-tolerance happens between drugs of similar 

structure or metabolized by the same enzyme and 
sometimes between dissimilar drugs as with antibiotics. 

 

  Synergism or potentiation

:  

occurs when 2 drugs with different sites or mechanism of 
action produce greater effects when taken together than 
either dose when taken alone. 

 

  Therapeutic index (TI)

: is the ratio of the LD

50

/ED

50

The largest the ratio the better drug safety while those 
with lower index, it is more dangerous as e.g. therapeutic 
index of morphine is 4 while diazepam is 500 

 

  Drug binding to receptor

: either:  

Reversible is a weak bound. The drug receptor complex 
can be separated easily. It is the type of most therapeutic 
drugs. Irreversible when the bound is strong and the 
complex is not separated easily. 
 

Types of antagonism:  

3 types of may involve in the interaction of drugs: 

1)  Pharmacological antagonism:  

This type of drug compete with agonist for the same 
receptor. It can be divided into: 

a)  Competitive reversible antagonism:  

It can combine reversibly with receptor & it can be 
overcome by increasing concentration of agonist 

b)  Noncompetitive irreversible antagonism: 

It can combine irreversibly with receptor by a covalent 
bond. The increasing dose of agonist will never overcome 
the inhibition. 
This antagonism decreases both efficacy & potency. The 
log dose response curve is not only shifted to the right but 
the maximal effect is also reduced. 

 

 

 

2)  Chemical antagonism

: by which one drug can 

antagonize the action of second drug by chemical action. 
e.g. protamine which is protein with +vely charged used 
to counteract the effect of heparin which is –vely charged. 

3)  Physiological antagonism

:  

By which one compound opposes the physiological action 
of other e.g glucocorticoid hormone increases the blood 
sugar while insulin decreases blood sugar. 
 

Relation between receptor & clinical use of drug 

1)  The receptor determines the qualitative relationship 

between dose of the drug & pharmacological activity. 

2)  The receptor is responsible for selective of drug action 

(agonist) 

3)  The receptor is also responsible for the action of 

antagonists. 

4)  The receptor determines the quantitative dose of agonist 

by using dose response curve. 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1: Principles of Drugs Therapy

 

 

 

Order of reaction: 

There are 2 kinds of reaction 

1) 

First order reaction

: in this case drugs taken in the 

body are subjected to absorption, distribution, metabolism 
& elimination as in the figure below. 
Generally, the rate of these process occur proportional to 
the concentration of drug (by increase the concentration 
of drug, these process will increase). 

 

 

 

2)  Zero order reaction (saturation kinetics) (Non-

linear kinetics): 

  As the amount of drug in the body raises these processes 

(absorption, distribution, metabolism & excretion) 
become saturated, that means the rate of these processes 
reach maximum & no more increase in these process even 
with increase the concentration of the drug. This may be 
due to limited amount of enzyme. The enzyme is 
saturated by a high free-drug concentration, and the rate 
of metabolism remains constant. 

 

 

 

  At low doses, drug metabolism is first order that is 

proportional to drug dose. 

  When first order is transformed into zero order, the 

following changes will occur: 
1)  Metabolism rate remains fixed 
2)  The concentration of the drug will increase. 
3)  The half-life will increase. 

Half-life:  

Is the time needed for elimination of 50% of the drug 
concentration in the plasma. It is constant for each drug. 

 

Steady state concentration:

  

Means a state of equilibrium reached when drug doses are 
given repeatedly after a period of time, the amount of 
drug absorption equal drug elimination from body. 
Drug in put          body           drug out put 
At steady state, input (rate of infusion) equals output (rate 
of elimination). That means the plasma concentration of 
drug remains constant. 
A faster rate of infusion does not change the time needed 
to achieve steady state; only the steady-state 
concentration (SS

c

) changes as in the following figure. 

 

 

 

Plasma half-life (t1/2) & steady state concentration: 

The steady state concentration is occurred when the drug 
absorption is equal drug elimination from body. 
I.V injection of a drug (single dose injection) to a body; it 
will achieve the highest concentration in the plasma, then 
there will be a sharp drop in the concentration from the 
plasma due to the drug distribution around the body, this 
is called distribution phase, which will be followed by a 
steady state. Then the drug concentration decline as the 
drug is being removed from the body by kidney or liver 
this is kno as elimination phase. If the elimination of the 
1

st

 order kinetic, in this case the time taken for any 

concentration to fall is always the same. 

 

 

Schematic representation of drug absorption, distribution, metabolism, and elimination. 

 
 
 
2. Zero order reaction (saturation kinetics). 
 
As the amount of drug in the body raises these processes 
(absorption, distribution, metabolism and excretion) become 
saturated, that means the rate of these processes reach maximum 
and no more increase in these process even with increase the 
concentration of the drug. This may be due to limited amount of 
enzyme. The enzyme is saturated by a high free-drug 
concentration, and the rate of metabolism remains constant. This 
is called Zero order kinetics or some times refereed as non-linear 
kinetics as in the following figure. 


background image

Unit 1: Principles of Drugs Therapy

 

 

 

 

 

Factors affecting t

1/2

 

1)  Rate of excretion (inversely proportional, short t

1/2

2)  Rate of metabolism (inversely proportional, short t

1/2

3)  Storage of drugs in tissues (longer t

1/2

4)  Protein binding (longer t

1/2

 

Mechanism of drug movement 

A)  Passive diffusion 

  The most common mechanism, involve movement of a 

drug from an area of high concentration to one of lower 
concentration. For example, after oral administration, the 
initial concentration of a drug is higher in the GIT than in 
the blood. This promotes movement of the drug into the 
bloodstream. When the drug is circulated, the 
concentration is higher in the blood than in body cells, so 
that the drug moves into the fluid surroundings the cells 
or into the cells themselves. Passive diffusion continues 
until a state of equilibrium is reached between the amount 
of drug in the tissues and the amount in the blood. 

  The passive diffusion allows lipid soluble material to pass 

through the membranes (which is made of lipid layers & 
protein) 

  Water in the pores of various size are found on cell 

membrane present in stomach & widely in renal proximal 
tubules not allow the passage of the drug by passive diff. 

  According to the concentration gradient, no energy is 

involved. Most drugs exhibit high or low lipid solubility 
according to environmental PH. 
 

Classification of drugs according to physio-
chemical properties (environmental pH) 

 

  Those are variable ionized according to environmental pH. 

  Those are incapable of becoming ionized (permanently 

unionized) 

  Those are permanently ionized. 

 

1)  Variable ionized according to environmental pH. 

  Drugs are either weak organic acids or bases. The degree 

of ionization depends on pH so the drug may be highly 

ionized or highly unionized depending on whether it’s 
organic acid or base. 
Highly ionized drugs = water soluble & lipid insoluble. 
Highly unionized drug = water insoluble & lipid soluble. 
So: 

 

  Note: ionized groups in a drug molecule tend either to 

loss hydrogen ion (acidic groups) or to added a hydrogen 
ion (basic groups). 
 

  There is dissociation constant for each drug expressed as K

d

 

pH = K

d

  when the conc. of ionized equal the conc. of 

unionized for acidic & basic compounds. 

  The passive diffusion only occurs to drug in unionized 

from which is lipid soluble. 
e.g of drug shows the effect of pH on it. 
Aspirin (is acidic substances). 
Stomach pH = 1.5 
Upper intestine pH = 6.8 
Lower intestine pH = 7.6 
pH elsewhere = 7.4 

  Aspirin in the stomach: it is unionized so it is considered 

to be lipid soluble, as a result it diffuse to the cell. 
When aspirin enters the gastric epithelial cells whose pH 
is 7.4 it is ionized & becomes less diffusible. 
Aspirin in stomach even it reaches to pH 3-4. Aspirin is 
lipid soluble so it is absorbed easily. 
In intestine pH is alkaline so Aspirin not absorbed easily. 
In plasma pH 7.4, Aspirin is water soluble (not absorbed, 
diffusion to the tissue is slow. 
Increase excretion of Aspirin in urine with alkaline agent, 
Aspirin becomes more water soluble. 
 

2)  Drugs which are incapable of ionization 

As digoxin, chloramphenicol, do not affected by change in 
pH due to absence of ionized group. So they are lipid soluble 
and cross tissue boundaries easily (They are nonpolar) 


background image

Unit 1: Principles of Drugs Therapy

 

 

 

10 

 

3)  Drugs which are ionized (polar) at all value of pH. 

They are either –ve charge as heparin or +ve charge as 
tubocurarine. So heparin & tubocurarine are given 
parenterally.   

 

B.  Facilitated diffusion  

                                   

Is a similar process, except that drug molecules combine 
with a carrier substance. The complex is then translocated 
across the membrane at a much faster rate than that 
associated with the diffusion of drug alone. This system 
requires no cellular energy and is only slightly sensitive to 
temperature changes as with vit B

12

 absorption. 

C.  Active transport. 

Some drugs move into or out of cells against a 
concentration gradient i.e by active transport from high 
concentration to low concentration and are more rapid 
than transfer by diffusion. This process requires a carrier 
substance and the release of cellular energy like with the 
absorption of Iron by the gut, Levodopa across the BBB 
and the secretion of many organic acid and bases by renal 
tubular and bilary duct cells. 
Note: Active transport is subjected to saturation and can 
be inhibited. 
 

Absorption: 

Is the transfer of a drug from its site of administration to 
the blood stream. The rate of absorption depends on the 
method of drug administration. 

Drug administration

: either  

  Enteral: 

a. 

By mouth: 

Swallowed or sublingual (buccal absorption) 

  Swallowed: Giving a drug by mouth provides many 

advantages to the patient; oral drugs are easily self-
administered and limit the number of systemic infections 
that could complicate treatment. Moreover, toxicities or 
overdose by the oral route may be overcome with 
antidotes such as activated charcoal. On the other hand, 
the pathways involved in drug absorption are the most 
complicated, and the drug is exposed to harsh 
gastrointestinal (GI) environments that may limit its 
absorption. Some drugs are absorbed from the stomach; 
however, the duodenum is a major site of entry to the 

systemic circulation because of its larger absorptive 
surface. Ingestion of drugs with food, or in combination 
with other drugs, can influence absorption. The presence 
of food in the stomach delays gastric emptying, so drugs 
that are destroyed by acid (for example, penicillin) 
become unavailable for absorption . 

  Note: Enteric coating of a drug protects it from the acidic 

environment; the coating may prevent gastric irritation, 
and depending on the formulation, the release of the drug 
may be prolonged, producing a sustained-release effect. 

  S u b l i n g u a l :   Placement under the tongue allows a drug 

to diffuse into the capillary network and, therefore, to 
enter the systemic circulation directly. Administration of 
an agent, sublingually, has several advantages including 
rapid absorption, convenience of administration, low 
incidence of infection, avoidance of the harsh GI 
environment, and avoidance of first-pass. 

b.  By rectum. 
c.  By vagina. 

 

 

Parentral:

  

The parenteral route introduces drugs directly across 
the body's barrier defenses into the systemic 
circulation or other vascular tissue. Parenteral 
administration is used for drugs that are poorly 
absorbed from the GI tract (for example heparin) and 
for agents that are unstable in the GI tract (for 
example, insulin). Parenteral administration is also 
used for treatment of unconscious patients and under 
circumstances that require a rapid onset of action. In 
addition, these routes have the highest bioavailability 
and are not subject to first-pass metabolism or harsh 
GI environments. Parenteral administration provides 
the most control over the actual dose of drug 
delivered to the body. However, these routes are 
irreversible and may cause pain, fear, and infections. 
The three major parenteral routes are intravascular by 
subcutaneous (SC), Intramuscular (I.M), Intravenous 
(IV) or infusion, Inhalation (for volatil liquid), topical 
application for local (skin, eye, nose, ear)  

 

 

Other routes

; e.g intrathecal, transdermal, intranasal, 

intratracheal, intrapleural. 
 

 


background image

Unit 1: Principles of Drugs Therapy

 

 

 

11 

 

Commonly used routes of drug administration. IV = 
intravenous; 
IM = intramuscular; SC = subcutaneous. 

Absorption from G.I.T: 

  The small intestine is the main site for food and drug 

absorption: it has the following advantages. 
  Wide surface area. 
  Wide range of pH. 
  Specialized epithelial cells for absorption.  
  Good blood supply.  

  The stomach is of less important

  It has highly acidic medium, so only acidic compound 

are absorbed. 

  It is affected by gastric emptying. 
  It is with small surface area. 
 

Enterohepatic circulation

Bile salts circulate between the liver and intestine about 8 
times during the day. A number of drugs form conjugates 
with glucuronic acids in the liver and are excreted in the 
bile. These glucuronides are too polar (ionized) to be 
reabsorbed; they therefore remain in the gut where they 
are hydrolyzed by enzymes and bacteria to release the 
parent drug which is then reabsorbed and reconjugated in 
the liver. 
About 20% of total drug in the body is affected by 
enterohepatic circulation which prolongs drug action as 
e.g: with drug of sulindac (analgesic) 
Pentaerythritol (prophylaxis angina) 
Ethinyloestradiol (oral contraceptive) 

 

Bioavailability: 

  Same dose of a drug if given i.v or orally will achieve a 

different plasma concentration. 
  I.V administration of the drug, it enters the systemic 

circulation. The drug is with 100% available. 

  If the same quantity of the drug is swallowed. It will 

pass through portal circulation and then the systemic 
blood, i.e. its availability is less than 100%. So 

  Bioavailability is the fraction of administered drug that 

reaches the systemic circulation. 
e.g: a 50% bioavailability of a tablet of 10 mg propranolol 
would mean that a total of 5mg of propranolol would 
reach the general circulation. 

  For determination of bioavailability of a drug. It is 

determined by comparing plasma level of a drug after oral 
administration with plasma drug level achieved by i.v 
injection in which all of the agent enters the circulation. 
When the drug is given orally, only part of the 
administered dose appears in the plasma.  

  By plotting plasma concentration of the drug versus time , 

one can measure the area under the curve ( AUC). This 
curve reflects the extent of absorption of the drug . 

 

 

 

Factors that influence bioavailability: 

1)  Pharmaceutical factors: 

The amount of drug that is released from a dosage form is 
highly dependent on its particle size, adhesive substances, 
salt form and excipients, alter the rate of absorption. 

2)  Biological factors: may alter the rate of Absorption as in case: 

 

Disease of gut (diarrhea, vomiting…….etc). 

  Presence or absence of food. 

  Metabolism inside the gut wall. 

Determination 
of the 
bioavailability 
of a drug. 
(AUC = area 
under curve.) 


background image

Unit 1: Principles of Drugs Therapy

 

 

 

12 

3)  First-pass hepatic metabolism: 

  When a drug is absorbed across the GIT, it enters the 

portal circulation before entering the systemic circulation.  
As in figure.   

       

 

 

  First-pass metabolism can occur  with orally administered 

drugs  

  If the drug is rapidly metabolized by the liver, the amount 

of unchanged drug reaches to the systemic circulation is 
decreased. Many drug such as propranolol or lidocaine, 
undergo significant biotransformation during a single 
passage through the liver. 
 

Distribution:  

  Is the process by which a drug reversibly leaves the blood 

stream and enters the extracellular fluid and/or the cells of 
tissues. This depends on blood flow, capillary 
permeability. The degree of drug binding to plasma 
protein plays an important rule for drug distribution 
through the cells. 

  Plasma protein binding: 

-The bound fraction is pharmacologically inactive. 
-The free fraction is pharmacologically active. 
-The bound fraction acts as a reservoir for the drug.       
-Free and bound fraction are at equilibrium. 
-Free fraction is subjected to metabolism and excretion. 

 

 

The main plasma proteins are: 

  Albumin  

  The binding of drug to albumin is reversible. It is the 

main binding protein for many natural substances. It is 
with low affinity to the basic but with good capacity (take 
high amount of drug; a number of drug molecules binding 
to a single albumin molecule) i.e. a lot is bounded but it is 
readily released. Albumin is with high affinity to acidic 
drug but with low capacity (one molecule of albumin with 
one molecule of drug). 

  Competition for binding between drugs: 

When two drugs are given, each with high affinity for 
albumin, they compete for the available binding sites. The 
drugs with high affinity for albumin can be divided into 
two classes, depending on whether the dose of drug (the 
amount of drug found in the body under conditions used 
clinically) is greater than or less than the binding capacity 
of albumin. 

  Class I drugs: If the dose of drug is less than the binding 

capacity of albumin, then the dose/capacity ratio is low. The 
binding sites are in excess of the available drug, and the 
bound-drug fraction is high. This is the case for Class I drugs, 
which included the majority of clinically useful agents. 

  Class II drugs: These drugs are given in doses that greatly 

exceed the number of albumin binding sites. The 
dose/capacity ratio is high, and a relatively high proportion 
of the drug exists in the free state, not bound to albumin. 

 

  Clinical importance of drug displacement:  

This assignment of drug classification assumes 
importance when a patient taking a Class I drug, such as 
warfarin, is given a Class II drug, such as a sulfonamide 
antibiotic. Warfarin is highly bound to albumin, & only a 
small fraction is free. This means that most of the drug is 
sequestered on albumin and is inert in terms of exerting 
pharmacologic actions. If a sulfonamide is administered, 
it displaces warfarin from albumin, leading to a rapid 
increase in the concentration of free warfarin in plasma, 
because almost 100 percent is now free, compared with 
the initial small percentage. [Note: The increase in 
warfarin concentration may lead to increased therapeutic 
effects, as well as increased toxic effects, such as bleeding 


background image

Unit 1: Principles of Drugs Therapy

 

 

 

13 

 

 

 

  Other binding proteins in the blood include 

lipoprotein 

α

1

-acid glycoprotein

, both of which are good for basic 

drugs such as quindine, chloropromazine & imipramine 

  Other binding proteins in the blood include, 

globulines

 

are good for the binding with thyroxine & sex hormones. 

  Note: Disease may modify the protein binding of the 

drugs as in renal failure and chronic liver disease. e.g in 
liver cirrhosis, plasma proteins are high, while in 
pregnancy, they are low. 

  Note: For a drug to be effective therapeutically, it has to 

achieve adequate plasma levels of the unbound form. 
Drugs vary in the period required to reach equilibrium 
between the body fluid and tissues. 

When a drug is extensively bound to tissues. It has a large 
apparent volume of distribution (v

d

 ). 

 

    

                                     

                                  

 

 
For e.g, if 25mg of a drug (D=25mg) is administered and 
the plasma concentration is 1.0mg/L, then the  
v

d

 = 25mg / 1.0mg /L=25L. 

 

Metabolism: 

In the body, the drugs are treated as foreign substances. 

So 

Drugs are subjected to various mechanisms to 

get rid of them 

 

1)  Reducing lipid solubility. 

Metabolic reactions are intended to reduce lipid solubility 
and increase water solubility and then filtered by the 
kidney without reabsorption. 

2)  Reducing biological activity. 

     Many possibilities: 
a.  A drug may be changed from active to inactive 

metabolites, most drugs undergo such conversion. 

b.  A drug may change from active to pharmacological 

active metabolites. 

Diazepam (hypnotic)                       Oxazepam 
(active)                                               (active) 
Amitriptyline (antidepressant)              Nortriptyline 
 (active)                                                       (active) 

c.  A drug may be changed from inactive to 

pharmacological active metabolites. 
Inactive                                                Active 

  Levodopa (Antiparkinsonism)            Dopamine 

  Benorylate (analgesic)             Salicylicacid + paracetamol 

  Enalapril    (ACE

I

)          

                      

Enalaprilate 

  Chloral hydrate (hypnotic)           Trichloroethanol 

Metabolic processes: 

The liver is the most important drug metabolizing organ, 
other organ: kidney, gut, mucosa, lung and skin are also 
important for metabolizing of some drugs.  

  

 

Metabolism involves in two broad phases: 

  Phase I: The change in drug molecule is by oxidation, 

reduction or/and hydrolysis. The new metabolites may 
have some pharmacological activity or without 
pharmacological activity, but these new metabolites differ 
from the parent drug molecules. 

Binding of 
Class I and 
Class II drugs to 
albumin when 
drugs are 
administered 
alone (A, B) or 
together (C). 


background image

Unit 1: Principles of Drugs Therapy

 

 

 

14 

  Phase I oxidation of some drugs results in the formation 

of epoxides, which are short lived and highly reactive 
metabolites. Epoxides bind to cell constituents 
irreversibly through covalent bound. Such binding may 
lead to toxicity. Gluathione in the liver helps the reduction 
of epoxides toxicity. 

  e.g with the toxicity of Halothane or with paracetamol. 

Glutathione is a part of an important defense mechanism 
against hepatic damage by these two drugs. In case of 
high toxicity with paracetamol the Glutathione quantities 
are not sufficient to remove the oxidizing paracetamol. So 
that means this quantity of paracetamol is toxic.     

  Phase I reaction utilized the P450 system: the Phase I 

reactions most frequently are catalyzed by the cytochrome 
P450 system (oxygen is introduced through a reduction step 
coupled to NADPH:cytochrome P450 oxidoreduactase).  
Drug + O

2

 + NADPH + H+         Drug 

modified

 + H

2

O + 

NADP+ 
The P450 system is important for metabolism of many 
endogenous compounds (steroid, lipids, etc.) and for 
biotransformation of exogenous substances.  

 

The biotransformation of drugs 

  Phase II: The change in the drug molecule is by 

conjugation. The conjugation is by glucuronic acid 
sulphate or acetylate which is a polar molecule. The 
kidney readily eliminates the conjugation compound, 
results in polar usually more water-soluble compounds 
that are most often therapeutically inactive. 

  e.g morphine, paracetamol and salicylate form 

conjugation with sulfates. 

  Note: Not all drugs undergo Phase I and II reactions in 

that order. For example, isoniazid is first acetylated (a 
phase II reaction) and then hydrolyzed to isonicotinic acid 
(a phase I reaction). 

Enzyme induction:  

Number of drugs such as rifampicine, ethanol or 
Carbamazepine increase in the amount and activity of 
microsomal enzymes and conjugating systems when 
administered repeatedly.  

  The enzyme induction may use to treat certain disease as 

e.g In neonatal jaundice, phenobarbitone is used to 
increase the enzyme activity by induction leading to 
decrease bilirubin. 

  Enzyme induction may cause a disease as e.g: 

Treatment of patient by Phenytoin may cause increase in 
vitamin D metabolism and causes rickets or osteomalacia.   

   

Enzyme inhibition:  

Some drugs may inhibit the enzyme. Such inhibition may 
be of clinical application such as metabolism of 
endogenous substance. 

                 

Xanthine oxidase 

Xanthine                              Uric acid  
Allopurinol inhibits the Xanthine oxidase for treatment of 
gout. Other e.g  Acetazolamide inhibits enzyme carbonic 
anhydrase for treatment of glaucoma. 
Angiotensin converting-enzyme inhibitors (ACEI

s

) as by 

captopril to treat hypertension. 
 

Elimination:  

Drugs are eliminated from the body after being partly or 
wholly converted to water-soluble metabolites or in some 
cases without being metabolized. Accumulation of the 
drug in the body, this may lead to toxic effects. 
The causes of accumulation:  
1. Frequent dosing more than supposed to be taken. 
2. Renal failure this will reduce the elimination of a drug. 
3. Hepatic failure or liver disease in this case the drug is 
not metabolized by the liver. 
Side effects:  
They are unwanted effects occurring during therapy. 
Nausea and vomiting may occure in the case of morphine 
therapy. Diarrhea may occur due ampicillin 
administration. 
Secondary effects: They are the indirect results occurring 
during drug therapy. As with tetracycline (as antibiotic) 
may cause intestinal flora. 

Organs for drug elimination:  

1)  Renal elimination: it is the major organ of drug 

elimination. The following mechanism are involved: 

a.  Glomerular filtration: it depends on the concentration of 

free drug in plasma and its M.wt. Substances less than 
1000 M.wt (including most drug) pass easily through the 
pores of Glomerular membrane.  

b.  Renal tubular excretion: Strongly charged (ionized) 

molecules are excreted by this system. 


background image

Unit 1: Principles of Drugs Therapy

 

 

 

15 

c.  Renal tubular reabsorption: if the fluid in the renal 

tubules becomes more alkaline. 

 

 

 

  Acidic drug becomes less lipid soluble & its reabsorption 

diminishes (ionized).  Basic drug becomes unionized. It is 
more lipids soluble. So its reabsorption increases. 

 

2)  Fecal elimination: 

  When a drug intended for systemic effect is taken by 

mouth a proportion may remain in the bowel and be 
excreted in the feces. 

  Or drug diffused from blood into the intestinal lumen and 

is excreted in the feces. 

  Or bilary drug excretion that finally excreted in the feces. 

3)  Pulmonary elimination: only this route eliminates gases 

and volatile liquids. Inhalation of general anesthetic agent 
such as halothane is mainly eliminated through the lungs. 

4)  Other routes of elimination: sweat glands, salivary and 

milk glands. The amount of drug excreted in these routes 
is very small.     
 

Clearance:  

Clearance value can provide useful information about the 
biological fate of a drug. It is the rate of elimination of 
drug in urine relative to plasma concentration.  

Prolongation of drug action: 

1.  Using large dose that means with increase of the 

dose, but there is increased in toxic effect. This is not 
always correct, other mechanisms are used. 

2.  Using vasoconstrictor agent will reduce local blood 

flow so that distribution of drug away from an 
injection site is retarded e.g local anaesthetic action is 
prolonged by combination with adrenaline. 

3.  By slowing metabolism of drug as Carbidopa is used 

in combination with Levodopa for Parkinsonism. 

4.  By delaying drug excretion as the use of probenecid 

to block the renal excretion of penicillin when the 
letter is used in single dose to treat gonorrhea. 

5.  By altering of molecular structure as with group of 

hypnotic agents (benzodiazepine). 

6.  Pharmaceutical formulation as with sustained release 

preparations.    
 

 

 

 

 

 

 

 

Effect of drug 
metabolism on 
reabsorption in 
the distal 
tubule. 

Drug 
elimination 
by the kidney 


background image

Unit 1: Principles of Drugs Therapy

 

 

 

16 

Inherited influences (Pharmacogenetics): 

Is concerned with drug response. Some individuals might 
expected to respond to a fixed dose of drug, some would 
show less than the usual response, most would show the usual 
response & some would show more than usual response. 

 

Heritable conditions causing increased of drugs 
responses: 

a.  Acetylator status: Acetylation is an important rate of 

metabolism for many drugs. As in case of slow 
Acetylator of Isoniazide may cause peripheral 
neuropathy, in case of rapid Acetylator causes 
hepatocellular necrosis due to hepatotoxic 
metabolites. 

b.  Defective carbon oxidation: it causes special risk of 

adverse effects. As with standard doses of drugs that 
include Bufuralol, metoprolol, timolol (increased 
beta-blocked), haloperidol (excessive sedation). 

c.  Glucose-6-phosphate dehydrogenase (G-6PD) 

deficiency: it is an important enzyme for the integrity 
of RBCs. Individuals who are G-6PD deficient may 
suffer acute hamolysis. Drugs that carry definite risk 
of hamolysis e.g with Dapson, nitrofurantoin, 
Primaquine, Quinolones and with less extent with 
aspirin. 

d.  Pseudocholinesterase deficiency: it is non-specific 

cholinesterase in tissue and plasma. The 
neuromuscular blocking action of Suxamethonium is 
terminated by plasma Pseudocholinesterase. In 
deficiency state the metabolism of suxamethonium is 
highly reduced. 
 

Heritable conditions causing decreased drug 
responses: 

a.  Resistance to coumarin (anticoagulant). Patients 

require 20 times or more of the usual dose to obtain an 
adequate clinical response. 

b.  Resistance to Heparin. Patients with Antithrombin III 

deficiency require large doses of heparin for anticoagulant 
effect. 

c.  Resistance to Suxamethonium: is characterised by 

increased Pseudocholinesterase activity and failure of 
normal doses of Suxamethonium to cause muscular 
relaxation. 

d.  Resistance to vitamin D: individuals develop rickets 

which responds only to large doses of vit D i.e. x1000 the 
standard dose. 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 146 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