background image

PHARMACOLOGY                             COMPELET LECTURE                                        DR.ALI ISMAEL   

Drug Metabolism (Biotransformation):  
Sites: 
Liver is the main organ. Others include GIT, lungs, kidneys, skin, adrenals and blood 
(plasma). 
Types of Biotransformation: 
1.      Enzymatic : a. Microsomal  and       b. Non-microsomal 

 

2.      Non-enzymatic 
Non Enzymatic Elimination: 
Spontaneous, non-catalyzed and non-enzymatic type of biotransformation for highly active, 
unstable compounds taking place at physiological pH. Very few 

drugs

 undergo non-

enzymatic elimination.  
  
Enzymatic Elimination: 
Biotransformation taking place due to different enzymes present in the body/cells is known 
as enzymatic elimination. 

  
Non-Microsomal Biotransformation: 
The type of biotransformation in which the enzymes taking part are soluble and present 
within the mitochondria. eg: Xanthine oxidase converting hypoxanthine into xanthine. 
Monoamine oxidase involved in non-microsomal metabolism of catecholamines and 
noradrenaline. Alcohol dehydrogenase responsible for metabolism of ethanol into 
acetaldehyde 
  
Microsomal Biotransformation: 
Enzymes responsible are present within the lipophilic membranes of endoplasmic 
reticulum. Enzymes isolated from ER possess enzymatic activity termed as microsomal 
mixed function oxidase system.
 
Components: 
Cytochrome P450 (ferric, ferrous forms) 
NBiochemical Reactions: 
Phase I reactions 
Phase II reactions 
Phase I reactions: 
Phase I reactions are non-synthetic chemical reactions occurring mainly within the ER. The 
parent drug is converted into more soluble agents by introduction or unmasking of 
functional component. 
Phase I reactions include:  
-Oxidation(Hydroxylation, Dealkylation, O-Dealkylation, N-oxidation, Sulfoxidation, 
Deamination, Desulfuration)
 


background image

Reduction ( eg: Chloramphenicol). 
Hydrolysis ( eg: Esters: and Amides). 
  
Consequences of Phase I reactions: 
1. Active drug may be converted into inactive metabolite ( mainly).  
2. Active drug may be converted into more active metabolite. Eg: morphine is converted 
into more active metabolite. 
3. Prodrug may be converted into active metabolite 
4. Active drug may be converted into toxic metabolite e.g. halothane used in general 
anesthesia, is converted into trifluoroacetylated compound or trifluoroacetic acid, leading 
to hepatic toxicity. 
 ADPH (flavoprotein) 

Phase II reactions ( conjugation Reaction): 
Phase II is a conjugation reaction followed the phase I reaction, the products of phase I 
were conjugated  with  endogenous substrates like glucuronic acid, sulphuric acid, amino 
acid or acetic acid, yielding more excretable drug conjugates which are excreted by the 
kidneys.  
Phase II reactions lead to : 
-Usually inactivation of 

drug

 

- Production of water soluble metabolites, which is the main aim of biotransformation. 
- Usually detoxification reaction , with some  exception ( producing of toxic conjugates eg: 
methanol is converted Factors Affecting Biotransformation 

Biotransformation

 is significantly affected by a number of factors, these include: 

1. Enzyme Induction: 
When 

drugs

 given over prolonged period of time, upregulation of enzymes takes place. The 

rate of metabolism increases as enzyme induction takes place. The 

drugs

 which bring about 

these changes are known as enzyme inducers. Some examples include anticonvulsants like 
phenytoin, carbomycin, chronic alcoholism. various sedatives, hypnotics and  tranquilizers.  
Consequencs of Microsomal Enzyme Induction 
Decreased intensity and duration of action of 

drugs

 e.g. failure of contraceptives 

Increased intensity of action of 

drugs

 activated by metabolism. E.g. acute paracetamol 

toxicity is due to one of its metabolites. 
If 

drug

 induces its own metabolism e.g. cicobarbitone it develops tolerance so effects are 

not produced. 
Precipitation of acute intermittent porphyria. Enzyme induction might increase porphyrin 
synthesis. 
Intermittent use of an inducer might interfere adjustment of dose of another 

drug

 e.g. oral 

anti coagulants, oral hypoglycemic, antiepileptics and antihypertensives. 
Auto induction: The phenomenon in which a 

drug

 induces metabolism of other drugs as 

well as its own. eg. carbamazepine-antiepileptic.into formaldehyde, which is toxic) 


background image

2. Enzyme Inhibition 
The process in which  drug metabolizing capacity of cytochrome is decreased is known as 
enzyme inhibition. The rate of metabolism is decreased. Drugs bringing about these 
changes are known as enzyme inhibitors. Examples include ketoconazole- antifungal drug, 
cimetidine and verapamil- calcium channel blocker. 
3. Presystemic Metabolism/First pass effect/Route of Administration 

Drug

s following first pass metabolism have decreased 

bioavailability

. Most of the drugs are 

metabolized within the liver. Changing the route of administration might change the first 
pass metabolism. 
Propanolol is 80% metabolized before reaching systemic circulation. 
4. Genetic Variations: 
Inter individual variations might occur, as drugs behave differently in different individuals 
due to genetic variations resulting in absent or malformed enzymes due to absent or 
malformed genes. eg: fast acetylators and slow acetylatorst.  
5. Environmental factors: 
Cigarette smokers,  Chronic alcoholism and pesticides might lead to enzyme  
In hot and humid climate 

biotransformation

 is decreased and vice versa. At high altitude, 

decreased 

biotransformation

 occurs due to decreased oxygen leading to decreased 

oxidation of 

drugs

. 

6. Age 
Extreme age groups (infants and geriatrics) associated with slow metabolic process.  
Chloramphenicol (antimicrobial drug) when administered in infant, does not have great 
efficacy. Toxic effects in the form of grey baby syndrome might occur. The baby may be 
cyanosed, hypothermic, flaccid and grey in color. Shock and even death might occur if toxic 
levels get accumulated. 
Diazepam (sedative hypnotic) may result in floppy baby syndrome in which flaccidity of the 
baby is seen. 
In elderly, most  metabolic processes  were slow down because of decreased liver functions 
and decreased blood flow through the liver. The drug doses should be decreased in the 
elderly. 
7. Sex 
Male have a higher BMR as compared to the females, thus can metabolize drugs more 
efficiently, e.g. salicylates. Females, during pregnancy, have an increased rate of 
metabolism. Thus, the drug dose has to be increased. After the pregnancy is over, the 
dosage is decreased back to normal levels. Example includes phenytoin, whose dose has to 
be increased during pregnancy (specially second and third trimester). 
8. Drug-Drug Interaction 
9. Nutrition  
10. Pathological Conditions ( hepatic , cardiovascular, hypothyroidism) 
11. Circadian rhythm 


background image

Elimination of drug 
The irreversible shift of a 

drug

 from one part of the body to other part of system is known 

as elimination. It is from the more perfused parts to the lesser perfused parts. Elimination 
may be by: 

Biotransformation

 

Excretion 
Elimination Kinetics  
First-order kinetics (the most common type)  
- a constant fraction of drug is eliminated per unit time    
 - the amount of drug eliminated is based on the concentration of drug present    
   - this relationship is linear and predictable  
  
Zero-order kinetics (less common, associated with toxicities) 
 - non-linear kinetics 
 - a constant amount (number of molecules) of drug is eliminated per unit time 
 - clearance slows as drug concentration rises 
 - some drugs can follow first order kinetics until elimination is saturated (usually at large 
doses) and the clearance decreases 
 - some drugs follow non-linear kinetics at therapeutic levels e.g. phenytoin 

Excretion  
Excretion 
is the process of removing a drug and its metabolites from the body. This usually 
happens in the kidneys via urine produced in them. Other possible routes include bile, 
saliva, sweat, tears and faeces. Most drugs are insufficiently polar (and, therefore, water 
soluble) to be excreted directly. Instead they need to metabolise to produce more polar, 
water-soluble molecules.  
  
Excretory system 
 The excretory system is made up from the two kidneys, ureters, bladder and urethra, 
together with the branches of the two renal arteries and veins. Blood passes into the 
kidney’s nephron (kidney tubule) where three processes can happen:  
 Glomerular filtration: small drug and metabolite molecules and those not bound to plasma 
protein are filtered from the blood. Large molecules or those bound to plasma protein are 
poorly excreted by glomerular filtration.  
 Tubular secretion: most drugs enter the kidney tubule by tubule secretion rather than 
glomerular filtration. The process involves active transport against a concentration gradient 
and, therefore, requires energy and carriers to transport basic drugs such as dopamine and 
histamine, and carriers for acidic drugs such as frusemide and penicillin.  
 Tubule reabsorption: Some drugs and metabolites are absorbed back into the 
bloodstream. 
This does not require energy. It is passive transport. 


background image

Elimination by Liver 
Liver is the major site for metabolism. It converts lipophilic compounds into hydrophilic 
compounds by 

phase I and II reactions

which makes the 

drugs

 more excretable. In 

membranes of canaliculi, transporters for active secretion of drugs or metabolites are 
present as well.  
 Elimination by Lungs 
Lungs constitute the most different route of drug elimination. This is the only route by 
which lipophilic drugs are excreted because they are absorbed through the alveolar 
membrane. Examples include general anesthetics, which are gases pumped through the 
endotracheal tubes and diffuse across the alveolar membrane. When stop their 
administration, pure oxygen is supplied. The body acts as a reservoir and transport occurs 
in reverse. Thus lipophilic compounds are lost through the lungs. Alcohol breadth is another 
example which can be tested by alcohol breath test, by which alcohol in the excreted air is 
measured. 
Intestines 
Drugs are mostly absorbed in the small intestine. Anthracene purgatives, which act mainly 
on the large bowel, are partly excreted in to that area from the blood stream after 
absorption from small intestine. Heavy metals are also excreted through the intestine and 
can produce intestinal ulcerations. 

Minor Sources 
Breast milk 
is important because many drugs are excreted in it. Some effects of the drugs 
may be transferred to the baby, which may prove harmful. It is important to know which 
drugs are not to be used during breast feeding. Milk being slightly acidic than plasma, weak 
bases get ionized and have equal or higher concentration in milk than in plasma. Non 
electrolytes like ethanol and urea readily enter the milk independent of pH.  70% of plasma 
concentration of tetracyclines may enter milk, prolonged usage of which might cause 
permanent staining of teeth and weak bones in the baby. Ampicillin may lead to diarrhea 
and allergic sensitizations. Chloramphenicol might lead to aplastic anemia in baby, bone 
marrow suppression and grey syndrome. Morphine, opoids and smoking may cause 
lethargic baby. 
If the mother is taking drugs, she should lactate the baby a few hours after taking  
 drugs or most preferably half an hour before intake.  
Sweat glands. 

Clearance of drug 
Unit volume of blood which is cleared off a 

drug

 per unit time is known as clearance. 

Clearance is not a measure of how much 

drug

 is being 

eliminated

; it is only a measure of 

how much plasma is cleared of it per minute. Units are ml/min, sometimes ml/min/kg body 
weight are used. 
  
Rate of elimination = Quantity or volume of urine measured (ml/min) X conc. substances 


background image

in urine (mg/ml) 
Rate of elimination = ml/min x mg/ml = mg/min 
  
Clearance= rate of elimination of substance in urine/ concentration of the drug in the 
blood.
 
Clearance = mg/min / mg/ml = ml/min 
Total clearance = CL kidney + CL liver + CL….. 
 
Pharmacodynamics: 

 The mechanisms of action of  drugs 

Non receptor mechanism: Some of drugs act by non receptor mechanisms: 

-Enzymes stimulation or inhibition ( MAO- inhibitors , ACE-inhibitors) 

-Physical effect ( osmotic diuretic, bulk laxatives) 

-Chemical effects ( Antacids) 

-Local effects     ( counter irritants) 

B- Receptors mechanism: Most of the 
drugs act by occupying specific 
receptors, which is a  macromolecular 
component ( usually proteins) located  
on the l membrane, cytoplasm or 
nucleus of the cell. 

Potency: It is the amount of drug required to 
produce a certain response 
 

Efficacy: Maximal response that can be elicited 
by a drug 

 

 

Agonist: An agent which activates a receptor to produce an effect similar to a that of the 
physiological signal molecule, e.g. Muscarine and Nicotine)  
Inverse agonist: an agent which activates receptors to produce an effect in the opposite 
direction to that of the agonist, e.g. DMCM  
Partial agonist: An agent which activates a receptor to produce submaximal effect but 
antagonizes the action of a full agonist, e.g. pentazocine 
Antagonist: an agent which prevents the action of an agonist on a receptor or the 
subsequent response, but does not have an effect of its own, e.g. atropine and muscarine 


background image

Antagonist could be: 
Physiologic (Functional) Antagonists  
 Physiologic antagonists represent another type of antagonism in which the antagonist does 
not interact directly with the actions of the agonist at its molecular target.   The agonist and 
antagonist each act on different molecular targets, but the responses elicited by these 
interactions are diametrically opposed and negate each other.  Epinephrine and histamine 
are good examples of physiologic antagonists. 
Pharmacokinetic Antagonists  
 One drug attenuates the action of another drug by decreasing its concentration at the site 
of action. This may occur through changes in absorption, distribution, metabolism, or 
excretion. An example is activated charcoal used in acute treatment of poisonings. 
Ingestion of activated charcoal binds drug in the intestine and reduces or prevents its 
absorption. 
 Pharmacologic Antagonists 
 The majority of antagonists used as drug therapy are pharmacologic antagonists that act by 
directly interfering with an agonist’s ability to activate its molecular target. The antagonist 
prevents agonist binding  

 

 

The interaction between antagonist and agonist can take several forms, including 
competitive and noncompetitive antagonism. 
Competitive Antagonists: Compete with agonist 
for receptor binding => Agonist appears less 
potent, but can still achieve 100% effect (but at 
higher concentrations) 
Non-competitive Antagonists: Bind to receptor 
at different site and either prevent agonist 
binding or the agonist effect => maximal 
achievable response reduced Inverse Agonists: 
Not the same as antagonists! Inverse agonists 
trigger a negative response (= reduce baseline) 
(e.g. diazepam = full agonist = anticonvulsant BUT 
inverse agonists of  benzodiazepin receptor are anticovulsants)or agonist activation of the 
receptor and inhibits the biologic effects generated by the agonist. 

 

Dose Response relationship 
The exact relationship between the dose and the response depends on the biological object 
under observation and the drug employed. 
- If the concentration of the drug too low to produce the pharmacological effect, it means 


background image

(no response) ie: sub-therapeutic dose. 
The lowest concentration of a drug that elicits a response is minimal dose - 
-The largest concentration after which further increase in concentration will not change 
the response is the maximal dose. 

Major Receptor families:  
A) Ligand-gated ion channel  
B) G protein-coupled receptor  
C) Enzyme-linked receptors  
D) Intracellular receptors 
A) Ligand-gated ion channel  
The most rapid cellular responses to receptor activation are mediated via ligand-gated ion 
channels. These kind of transmembrane receptors composed of multiple peptide subunits. 
The ligand binding causes conformational changes of receptor and opening of ion channel. 
Eg: nicotinic  receptors 
B) G protein-coupled receptor:  
It comprised of a single peptide that has seven membrane-spanning r egions. 
- These receptors are linked to a G Protein (Gs and others) having three subunits, alpha (α) 
subunit (binds guanosine triphosphate GTP) and a beta-gamma (βY) subunit. 
- Binding of appropriate ligand to extracellular region of the receptor activates the G 
Protein, so that GTP replaces guanosine diphosphate GDP on the alpha subunit. 
-Dissociation of G Protein occurs, and both the alpha-GTP subunit and the βY subunit 
interact with other cellular effectors (an enzyme or an ion channel).  
- Effectors then change the concentration of the 2 

nd

 messenger that are responsible for 

further actions within the cell. 
-Stimulation of these receptors results in responses last several seconds to minutes 

C) Enzyme-linked receptors:  
These receptors have cytosolic enzyme activity as an integral component of their structure 
or function. - Binding of a ligand to an extracellular domain activates or inhibits this 
cytosolic enzyme activity. - Duration of responses to stimulation of these receptors is in 
order of "minutes to hours". 
 Intracellular (cytoplasm or nucleus) receptors: 
 Those receptors are not associated with cell membrane. Ligands are mostly lipid soluble 
and passively pass cell membrane. Ligand binding activates receptor the complex then 
translocates to nucleus and bind to specific DNA sequences mostly located in gene 
promoter region. This kind of signal tranduction is slow, but duration of response can last 
long. Eg: receptors for glucocorticoides and gonadal steroids. 


background image

 

 

 

 

Different G-alpha proteins activate different second messenger pathways 
1-There are several different classes of trimeric G-proteins that are defined by their 
different G-alpha subunits. One type of G-alpha 
activates the enzyme adenylyl cyclase, which 
catalyzes the formation of the second 
messenger cyclic AMP  (cAMP).  Because an 
activated adenylyl cyclase can generate many 
molecules of cAMP, this is a means to amplify the 
signal. cAMP can have several effects, but a major 
effect is to bind to and activate protein kinase 
(PKA; also known as cAMP-dependent kinase). 
PKA then phosphorylates target proteins in the cell. cAMP is rapidly broken down 
byphosphodiesterases, limiting the length of the signal. 

 

 
2-Another type of G-alpha activates the enzyme phospholipase C.  Phospholipase C 
cleaves PIP2, a membrane phospholipid, to 
generate two second  
messengers,  IP

3

  and  diacylglycerol (DAG).  IP

3

 is 

water soluble, diffusing through the cytosol to 
bind to and open a ligand-gated Ca

++

 channel in 

the endoplasmic reticulum (or sarcoplasmic 
reticulum in muscle cells).  Thus, stimulation of a 
receptor linked to this G-alpha is a way to increase 
Ca

++

 inside the cytosol.  Ca

++

 in the cytosol exerts 

its effects by binding to Ca

++

-binding proteins such ascalmodulin.  


background image

DAG is lipid soluble and stays in the membrane.  It activates protein kinase C (PKC), which, 
like PKA phosphorylates particular target proteins. 

 

 

There are two types of responses: 
1. Graded dose effect: As the dose administered to a single subject or tissue increases, the 
pharmacological response also increases in graded fashion up to ceiling effect.  
- It is used for characterization of the action of drugs. The concentration that is required to 
produce 50 % of the maximum effect is termed as EC

50

 or ED

50

  
2. Quantal dose effect ( All or none): It is all or none response, the sensitive objects give 
response to small doses of a drug while some will be resistant and need very large doses. 
The quantal doseeffect curve is often characterized by stating the median effective dose 
and the median lethal dose. 

Median lethal dose or LD50: This is the dose (mg/kg), which would be expected to kill one 
half of a population of the same species and strain. 
  
Median effective dose or ED50: This is the dose (mg/kg), which produces a desired 
response in 50 per cent of test population. 
  
Therapeutic index: It is an approximate assessment of the safety of the drug. It is the ratio 
of the median lethal dose and the median effective dose. Also called as therapeutic window 
or safety. 
                                            LD50                
Therapeutic index (T I) =  ------- 
                                            ED50   
The larger the therapeutic index, the safer is the drug. Penicillin has a very high therapeutic 
index, while it is much smaller for the digitalis preparation. 

Drug tolerance 
Tolerance defined as a state of progressively decreased responsiveness to a drug as a result 
of which a larger dose of the drug is needed to achieve the effect originally obtained by a 
smaller dose 
The sensitivity of the target cells is governed by genetic factors and adaptive changes by the 
body. Adaptive changes occur in response to the repeated exposure to a particular drug. 
The result is usually a loss of sensitivity to the drug. This decreased response is called 
tolerance

 

THANKS FOR YOU

                                                                                             LIKE A PHOENIX RISING FROM THE ASHES  




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 104 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