Farmakologické účinky látek jsou podmíněny převážně změnou, resp. ovlivněním biochemických a fyziologických funkcí organismu. Účinky látek jsou dány specifickými interakcemi látek s biologickými systémy → receptorové mechanismy. Řadu z nich lze označit i jako nereceptorové mechanismy. Použití některých léčiv (rtg kontrastní látky, trávicí enzymy, osmoticky aktivní látky, látky měnící pH) je podmíněno využitím jejich fyzikálně-chemických vlastností [2].

Receptory jsou spřaženy s efektorovými systémy, které jsou aktivovány při obsazení receptoru specifickou látkou a zajišťují přenos signálu a jeho transformaci na účinek. Látky interagující s receptory se nazývají ligandy. Aktivace receptoru specifickými ligandy má několik charakteristických rysů. Agonisté působí ve velmi nízkých koncentracích, vykazují stereoselektivitu a saturalibilitu (zvýšení koncentrace látky nad určitou hodnotu již nevede k dalšímu zvýšení účinku.)

Účinky agonistů lze specificky blokovat antagonisty, které většinou kompetitivně vytěsňují agonisty z vazby na receptoru. Jiná místa, na něž se váží jiné látky a vyvolávají tak své účinky, se označují jako cílová místa působení těchto látek, ne jako receptory. Jako nereceptorové mechanismy účinku látek lze označit jako zprostředkované mechanismy účinku. Jde o případy, kdy se fyzikálně-chemické interakce netýkají látky a organismu, ale několika látek navzájem [2].

Pokud látky interagují s makromolekulami organismu, které nejsou receptory pro fyziologické regulační molekuly, nazýváme je cílová místa působení látek.

Receptor je charakterizován schopností vázat molekuly specifické konfigurace a vyvolat určitou biologickou odpověď jako důsledek změny konformace receptoru a následné transdukce signálu. Při posuzování účinnosti určité látky se rozlišuje afinita a vnitřní aktivita [2].

Afinita – charakterizuje schopnost látky vázat se při určité koncentraci na daný receptor, odpovídá účinné koncentraci EK50, při níž dochází k 50 % maximálního možného účinku. Hodnota EK50 se někdy vyjadřuje i záporným log příslušné koncentrace látky. Převyšuje-li koncentrace látky mnohonásobně koncentraci Kd, dosahuje látka maxima možného účinku [2].

Vnitřní aktivita (max. agonistický účinek) – je pojem vyjadřující schopnost látky vyvolat na receptoru změny spouštějící příslušnou reakci, lze ji charakterizovat maximálním dosažitelným účinkem dané látky.

Podle kvantitativních hodnot vnitřní aktivity u jednotlivých látek se označují jako:

Agonisté se váží na receptor a interakcí s ním vyvolávají účinek. Agonista má k receptoru afinitu (schopnost se na něj navázat) a vnitřní aktivitu blízkou hodnotě 1,0. Označuje se jako plný agonista. Antagonista má k receptoru afinitu a nulovou vnitřní aktivitu. Antagonisté interagují s receptory nebo komponentami efektorového systému a inhibují tím účinky agonistů, sami o sobě žádné účinky neiniciují. Antagonisté, kteří interagují se stejným receptorem jako agonisté reverzibilně, jsou kompetitivní antagonisté – mají vysokou afinitu, ale nulovou, popř. velmi nízkou vnitřní aktivitu 0,1. Antagonistický účinek může být zrušen vyšší koncentrací agonisty, ten při dostatečné koncentraci může dosáhnout opět svého maximálně možného účinku. Parciální agonista má k receptoru afinitu a částečnou vnitřní aktivitu, např. 0,3 (cca 30 % účinku agonisty).

Nekompetitivní antagonisté se buď ireverzibilně váží na stejný receptor jako agonisté, ale mají velice nízkou vnitřní aktivitu, nebo reverzibilně či ireverzibilně blokují transdukci signálu vyvolanou agonistou. Brání agonistům ve vyvolání určitého procenta jejich účinků. Ireverzibilní vazba antagonisty na receptor způsobí snížení dostupného počtu receptorů. Ireverzibilní vazba je jakákoliv interakce s postreceptorovými mechanismy, která brání účinkům agonisty po jeho navázání na receptory. Je snížen počet receptorů, dále je snížena efektivita postreceptorových mechanismů. Dojde k depresi dosažitelného účinku agonisty bez současné změny citlivosti receptoru k agonistovi [2].

Kompetitivní antagonismus je ve farmakologii velmi důležitý. Umožňuje selektivní antagonizování účinku farmak i různých endogenních ligandů. Toxické účinky některých látek lze antagonizovat podáním specifických antidot.

Parciální agonisté mají malý agonistický účinek (např. 0,3) při samostatném působení, při současném působení se silnějšími agonisty kompetitivně antagonizují jejich účinky.

Ireverzibilní antagonismus je vyvolaný látkami, které se dlouhodobě a bez možnosti vytěsnění váží na receptory nebo jiná recepční místa a vyvolávají dlouhodobou blokádu sledovaného účinku. Obnova účinku nastane až po náhradě vyřazené komponenty strukturou novou (syntéza nových receptorových molekul, enzymů). Příklad: působení inhibitorů protonové pumpy jako inhibitorů žaludeční sekrece HCl.

Agonista vyvolá aktivní konformaci receptoru. Agonista se naváže na inaktivní receptor, čímž vyvolá změnu jeho klidové konformace na aktivní stav. Antagonista se naváže na inaktivní receptor, aniž by přitom vyvolal změnu jeho konformace.

Interakce dvou látek se při receptorovém mechanismu účinku nejčastěji projevuje jako antagonismus různého typu: kompetitivní antagonismus (soutěžení s agonistou o tentýž receptor), kompetitivní dualismus, nekompetitivní antagonismus.

Jiné formy antagonismu:

V řadě případů je konečný účinek látky přímo úměrný množství obsazených receptorů. Případy abnormálních vztahů mezi okupací receptorů a farmakologickou odpovědí. Ve zvláštních případech byla zjištěna receptorová rezerva (spare receptors), kdy k vyvolání plného účinku, nemusí být obsazeny všechny receptory → vyřazení určitého počtu receptorů (ireverzibilními antagonisty) nemění celkovou odpověď. Jeden ze stupňů vedoucích ke konečné odpovědi je limitující a obsazení dalších receptorů nemůže zvýšit příslušný účinek [2].

Receptorová heterogenita je existence více receptorových podtypů jednoho receptoru. V jednotlivých orgánech mohou být odlišné podtypy receptorů, např. adrenergních a cholinergních. Podtypy se liší strukturálně a umožňují selektivní ovlivnění látkami, které mají částečně změněnou strukturu oproti endogennímu ligandu. Jednotlivé podtypy receptorů jsou také často spřaženy s jiným typem efektorového mechanismu. To umožňuje jejich selektivní regulaci a způsobuje, že důsledky jejich ovlivnění jsou různé. Receptorová heterogenita umožnila vývoj mnoha velmi selektivních látek a agonistickými nebo antagonistickými účinky, které mají velký terapeutický význam. Většina neurotransmiterů má několik receptorových podtypů [2].

Receptory samy o sobě regulují různé fyziologické funkce receptoru. Může docházet ke změně počtu receptorů v plazmatických membránách nebo ke změně jejich citlivosti vůči agonistům. Snížená citlivost receptorů, i spřaženého efektorového systému se nazývá desenzitizace. Zvýšená citlivost receptorů je hypersenzivita [2].

Desenzitizace je navozována většinou opakovaným a dlouhodobým podáváním agonistů příslušného receptoru. Je velmi důležitá klinicky.

Rozlišujeme desenzitizaci:

Na snížení aktivity se podílí fosforylace receptorů nebo internalizace (přenesení receptoru s navázaným agonistou do nitra buňky, kde jsou obě komponenty rozloženy). Následně dojde ke snížení počtu receptorů. Hypersenzitivita receptorů je naopak navozena dlouhodobým vyřazením receptorů určitého typu z funkce, a to dlouhodobým podáváním antagonistů příslušného receptoru. To se projeví při jejich náhlém vysazení zvýšenými až toxickými účinky po podání agonistů. Hypersenzitivita může být podmíněna sníženou fosforylací systémů receptor-efektor, ale především syntézou nových receptorových molekul a dalších receptorových komponent.

Je známa individuální variabilita v receptorových odpovědích na látky. Existují odlišnosti v odpovědích, které jsou důsledkem špatné funkce receptorů. Dochází k abnormalitám transdukce signálů. Receptorové nemoci jsou podmíněny: autoprotilátkami zaměřenými na receptorové proteiny, příp. mutací v genech kódujících receptory a proteiny zahrnuté v transdukci signálu [2].

Autoprotilátky mohou mimikovat účinky agonistů, jak je tomu v mnoha případech tyroidální sekrece vyvolané aktivací tyreotropních receptorů. Aktivující autoprotilátky byly objeveny rovněž u pacientů s těžkou hypertenzí (α-adrenergní receptory), kardiomyopatií (β-adrenergní receptory), u některých forem epilepsie a neurodegenerativních poruch (glutamátové receptory). Mutace genů kódujících receptory růstových faktorů a mnoha proteinů zahrnutých v transdukci signálu může vést k maligní transformaci buněk [2].

Signálem jsou: fyziologické regulační molekuly, léčiva od nich strukturálně odvozená. Receptory spřažené s efektorovými systémy jsou lokalizované v cytoplazmě nebo buněčných membránách a jsou spojené s různými efektorovými systémy.

Uplatňuje se zejména v endokrinním, nervovém, imunitním systému, ale týká se všech orgánů lidského těla. Prostřednictvím receptorů mohou do buněk vstupovat i některé viry (např. HIV využívající zejména CD 4 molekuly). Receptory se mezi sebou liší svou strukturou, jakým způsobem obsazení ligandem přeměňují na buněčnou odpověď (transdukce signálu) [2].

Některé extracelulární signální molekuly jsou velmi lipofilní, takže prostupují relativně snadno plazmatickou membránou do nitra buňky, kde se váží na specifické cytoplazmatické nebo jaderné receptory. Tyto receptory jsou obsazovány: glukokortikoidy, mineralokortikoidy, pohlavními hormony, vitaminem D, retinoidy, hormony štítné žlázy. Společným rysem je dlouhodobé působení, které nastává s určitou latencí a trvá hodiny a dny → stimulují transkripci genu v jádře, specificky se váží na DNA [2].

Velká část extracelulárních signálních molekul: hormony, neurotransmitery, růstové faktory, autakoidy, tj. endogenní ligandy a jejich deriváty (i analogy s agonistickými a antagonistickými účinky), tj. exogenní ligandy, reaguje s receptory umístěnými v plazmatické membráně. V důsledku aktivace receptoru, dochází k aktivaci efektorových systémů → tvorba nitrobuněčných signálů (druhých poslů – messengerů) nebo nahromadění některých iontů (např. Ca2+) zodpovědných za konečné fyziologické a farmakologické účinky [2].

Dle charakteru transdukce mezi receptorem a s ním spřaženým efektorem lze rozlišit tři základní typy receptor-efektorových systémů:

Do tohoto typu membránových receptor - efektorových systémů patří: receptory pro inzulin, receptory pro růstové faktory, u nichž část receptorové molekuly vykazuje aktivitu tyrosinkinázy. Fosforylace tyrosinu v proteinových substrátech tímto enzymem pak představuje vlastní transdukční mechanismus zprostředkující příslušnou specifickou odpověď [2].

Ionotropní receptory - receptor je přímo spřažen s efektorem, kterým je iontový kanál. Tyto systémy jsou ligandy otvírané iontovými kanály, odpověď v řádu milisekund. Jsou typické pro rychle působící neurotransmitery – např. glutamátové, nikotinové či gabaergní [4]. Cholinergní nikotinový receptor je pentamer složený ze čtyř různých podjednotek. Podjednotky jsou v postsynaptické membráně uspořádány tak, že vytvářejí kanál, který umožňuje průnik Na+ dovnitř buňky a K+ ven. Na podjednotky α se váže mediátor acetylcholin a důsledkem je aktivace N (nikotinových receptorů). Je vznik excitačních potenciálů na nervosvalové ploténce, v nervu vznik excitačních postsynaptických potenciálů [2].

K otevření iontového kanálu dojde teprve po navázání 2 molekul acetylcholinu. GABA (kyselina γ-aminomáselná) interakcí s GABA receptorem zvyšuje průnik Cl - do buňky čímž vyvolává hyperpolarizaci a vede ke vzniku inhibičního postsynaptického potenciálu.

Receptor-efektorový systém, kde je receptor spřažen s efektorem pomocí transduceru (G-regulační protein), vykazují nejvyšší stupeň komplexnosti. Nazýváme je metabotropní receptory.

Patří sem:

Úlohou G-regulačních proteinů je zastávat funkci transduceru. Název je odvozen od jeho schopnosti vázat a rozkládat guanosintrifosfát (GTP). Všechny G-regulační proteiny se skládají ze 3 podjednotek (α, β, γ). Komplex β a γ je funkčně shodný, odlišnosti jsou v podjednotce α → určují typ proteinu a jeho funkci. Všechny podjednotky α mají schopnost vázat GTP. G-regulační proteiny reagují na cytoplazmatické membráně s receptory. Po aktivaci receptoru agonistou dojde ke změně jejich konformace, která vede k vazbě GTP na podjednotky α G-regulačních proteinů, oddělení podjednotek α od komplexu podjednotek β, γ a jejich navázání na spřažené efektorové jednotky vede ke změně jejich aktivity. Antagonisté se sice také váží na receptor (R), ale nevedou k takové konformaci, která by umožnila interakci s G-regulačním proteinem. G-proteiny zajišťují mimořádnou rozmanitost účinku stimulovaných receptorů. V nejjednodušším případě reaguje jeden receptor s jedním G-regulačním proteinem a ten zase s jedním efektorem. Existují i případy, kdy několik typů R reaguje s jedním typem G-regulačního proteinu → ten je zodpovědný za příslušný účinek. Existují i obrácené situace, kdy jeden receptor může aktivovat více G-regulačních proteinů, tím navodit více typů účinku. G-regulační protein může aktivovat více buněčných funkcí [2].

Struktura receptorů spřažených s G -regulačními proteiny:

Mezi nejdůležitější efektorové proteiny pro receptory spřažené s G-proteinem patří:

Do skupiny receptorů spřažených s G-proteinem patří:

Receptory spřažené s G-proteinem

Celá řada buněčných funkcí je řiditelná intracelulární koncentrací cAMP, ta zvyšuje aktivitu proteinkinázy A, která katalyzuje přenos fosfátových skupin na funkční proteiny. Důsledkem jejich fosforylace je změna aktivity těchto substrátů (aktivace nebo inhibice), která se po ovlivnění kaskády dalších pochodů nakonec projeví jako konečný sledovaný účinek. Zvýšení koncentrace cAMP vede mj. ke snížení tonu hladké svaloviny, ke zvýšení kontraktility srdečního svalu a ke zvýšení glykogenolýzy a lipolýzy. Fosforylace proteinů Ca²⁺ kanálů v srdci zvyšuje pravděpodobnost, že se tyto kanály při depolarizaci membrány otevřou. cAMP se rozkládá a inaktivuje enzymem fosfodiesterázou → (AMP) inhibitory tohoto enzymu zvyšují jeho intracelulární koncentrace a vyvolávají tak účinky podobné účinkům adrenalinu (metylxantiny – theofylin) [2].

Receptorový protein může fosforylací ztrácet schopnost aktivovat přiřazený G-protein to je jeden z možných mechanismů odpovídajících za pokles buněčné citlivosti při dlouhodobé stimulaci receptoru agonistou (desenzitizace).

Systém receptor – fosfolipáza C

Aktivace fosfolipázy C vede k rozštěpení hlavního membránového fosfolipidu fosfatidylinozitolbisfosfátu (PIP 2) na dvě signální molekuly inozitoltrifosfát (IP 3) a diacylglycerol (DAG). IP 3 mobilizuje Ca²⁺ z endogenních zdrojů (zásobní organely), což vede ke kontrakci buňky hladkého svalu, štěpení glykogenu. Ca²⁺ obsazují endogenní receptor pro Ca²⁺, kterým je kalmodulin. Mezi funkce ovlivněné kalmodulinem s navázaným Ca²⁺ (Ca-CaM) patří metabolismus cyklických nukleotidů, fosforylace různých proteinů, metabolismus vápníku, metabolismus glykogenu. Ca-CaM také reguluje aktivitu mnohých strukturálních elementů buňky, kontraktilní proteiny, buněčnou motilitu, uvolnění skladujících granulí a endocytózu. DAG aktivuje proteinkinázu C, což má za následek aktivaci specifických proteinů, které se podílejí na regulaci přesunu iontů a dalších důležitých buněčných funkcí: regulace sekrece, kontraktility, metabolismu, neuronální excitability a buněčného růstu [2].

Draslíkové kanály regulované G-regulačními proteiny

Mezi mnoha typy draslíkových kanálů existuje kanál citlivý ke stimulačním účinkům acetylcholinu na M (muskarinovém) receptoru (spřažen s G1-regulačním proteinem). V srdečním svalu M cholinergní receptor zvýší permeabilitu draslíkových kationtů a dochází k hyperpolarizaci buněk a inhibici elektrické aktivity.

Mezi další receptor-efektorové systémy, které jsou regulované G-regulačními proteiny, patří ligandy stimulovaná fosfolipáza A2, která uvolňuje kyselinu arachidonovou jako substrát pro další signální molekuly (prostaglandiny, leukotrieny), dále ligandem stimulovaná NADPH -oxidáza [2].