A farmakológiai értelemben vett receptorok endogén regulátorok (neurotranszmitterek, hormonok és helyi hormonok, ún. autakoidok) hatásainak közvetítésére specializálódott fehérjemolekulák, amelyek kívülről bevitt – esetenként gyógyszerként alkalmazott – ágensekkel is aktiválhatók. A ma rendelkezésre álló gyógyszerkincsünk jelentős hányada receptorokon fejti ki terápiás hatását. Az emberi génkészletben fellelhető receptorok száma ugyan elmarad azoktól a kezdeti várakozásoktól, amelyeket a humán genom szekvenciájának feltárása előtti időkben feltételeztek, és az újonnan azonosított célpontok alacsony száma csalódást keltő, a receptorokra kifejtett hatás mégis az egyik preferált megközelítés marad a mai modern gyógyszerkutatás számára. Mindezekkel együtt még így is több száz újonnan azonosított receptorszekvenciát tartalmaz a humán genom, nem beszélve a „splicing variánsokról”, amelyek megsokszorozhatják ezt a számot.

A legrégebbi, okkupancia-teória szerint alaphelyzetben, azaz aktiváló ligandum (agonista) hiányában a receptor funkcionálisan inaktív. Az agonista kötődése a receptorhoz konformációváltozást eredményez a receptorban, és ez a módosult receptorforma képes a jelátvitel elindítására, majd biológiai hatás kiváltására. A hatás három részfolyamata tehát kötődés a receptorhoz, receptoraktiváció, jelátvitel. A receptoron kifejtett hatás rendszerint az agonista leválásával szűnik meg. Ezt követően a receptor affinitása az agonisták iránt alacsonyabb lehet egy darabig. Előfordulhat az is, hogy az agonista disszociációja után is aktív állapotban marad a receptor egy ideig. A ligandumok receptorhoz való kötődése egzakt módon, matematikailag leírható a Hill–Langmuir-egyenlet segítségével:

 

 

ahol c a szabad ligandum koncentrációja, NT az összes receptor száma, NL a ligandum által elfoglalt receptorok száma, p a receptorokkupancia (az elfoglalt receptorok hányada) és Kd a ligandum−receptor komplex egyensúlyi disszociációs konstansa.

 

A ligandum receptorhoz való kötődése kísérletesen is elemezhető kétféle kvantitatív módszerrel segítségével. A receptortelítési vizsgálat során a receptort tartalmazó szövetmintához radioaktív izotóppal jelölt ligandumot adnak emelkedő koncentrációkban. Az egyensúlyi állapot elérése után a mintát centrifugálják, majd ezt követően az üledék (amely tartalmazza a sejteket a kötött ligandummal együtt) radioaktivitását szcintillációs módszerrel meghatározzák. Az egyes ligandumkoncentrációkhoz tartozó radioaktivitási értékeket koordinátarendszerben ábrázolva nyerik a teljes kötődés görbéjét. A vizsgálat során minden esetben számolni kell a ligandum nem specifikus kötődésével is. A nem specifikus kötődés oly módon határozható meg, hogy a kötődési vizsgálatokat megismétlik egy olyan rendszerben, amely nagy fölöslegben tartalmaz nem sugárzó ligandumot is. Ez a kompetíció elve alapján megakadályozza a jelölt molekulák receptorhoz való kapcsolódását, de nem befolyásolja azok nem specifikus kötődését. A teljes kötődés és a nem specifikus kötődés különbsége adja a specifikus kötődést, amelynek alapján egyrészt meghatározható a Kd-érték, másrészt a görbe platójának magasságából következtetni lehet a kötőhelyek (receptorok) hozzávetőleges számára (NT, szokásosan Bmax) is (2.1.2. ábra).

 

 

Az említett két paraméter pontosabb meghatározását teszi lehetővé a specifikus kötődés görbéjének linearizált változata, az ún. Scatchard-függvény, amelyben B a kötött, F a szabad ligandum koncentrációját jelenti.

 

 

A ligandumleszorítási vizsgálatok során a jelzett ligandum verseng a tesztelt vegyülettel a véges számú kötőhelyért. Az IC50 az a tesztvegyület-koncentráció, amely a jelzett ligandum kötődését 50%-kal csökkenti. Az inhibitorkonstans, Ki, a Cheng–Prusoff-egyenlet segítségével számolható ki, és elméletileg azonos az inhibitor Kd értékével.

 

 

Ahhoz, hogy egy vegyület kötődése egy fehérjéhez receptorkötődésnek legyen tekinthető, a fehérjének több kritériumnak kell megfelelnie:

 

Az agonista koncentrációja (dózisa) és a kiváltott hatás nagysága közötti összefüggés leírására nincs univerzális egyenlet (pontosabban csak utólag, a görbe kísérletes úton történő felvételét követően lehet a görbére függvényt illeszteni). A koncentráció/dózis–hatás görbét kísérletesen lehet felvenni oly módon, hogy az agonistát emelkedő mennyiségben adjuk, és mérjük a kiváltott hatás nagyságát (ez utóbbit rendszerint az adott rendszerben kiváltható maximális hatás százalékában adjuk meg). Féllogaritmusos ábrázolásmód esetén szigmoid görbét kapunk, hasonlóan a ligandumok kötődési görbéjéhez (2.1.3. ábra). In vitro rendszerekben koncentráció−hatás görbét tudunk felvenni, mivel ismert az agonista koncentrációja a receptor környezetében. In vivo körülmények között többnyire nem ismert az agonista receptorközeli koncentrációja, ezért csak a beadott dózis nagyságának függvényében tudjuk ábrázolni a hatást; így kapjuk a dózis−hatás görbét.

 

 

A koncentráció/dózis−hatás görbéknek három fontos jellemzőjük van:

a) a görbe maximuma;

b) a görbe pozíciója a koncentráció/dózis-tengely mentén;

c) a görbe középső szakaszának a meredeksége.

 

A görbe maximuma a vizsgált agonista által kiváltott maximális hatás nagyságáról ad információt, ezt tekintjük a hatékonyság (angolul „efficacy”) mértékének. A 100%-os hatást kiváltani képes ligandumokat teljes agonistának nevezik. Az ennél kisebb választ eredményező ligandumok a parciális agonisták. A 100%-os hatás az adott receptoron ható leghatékonyabb agonista magas koncentrációival kiváltott hatásaként értelmezendő. A hatékonyság számszerű paramétere az intrinszik aktivitás, ami az agonista által kiváltott maximális hatás és a lehetséges maximális (100%-os) hatás hányadosa; értéke 1 a teljes agonistákra, és 0–1 közötti érték a parciális agonistákra. A receptorhoz kötődő, de azon semmilyen hatást kiváltani nem képes ligandumok, az ún. kompetitív antagonisták intrinszik aktivitása nulla. Az agonisták többé-kevésbé specifikus módon kötődnek egy-egy receptor ortosztérikus kötőhelyén, és rendszerint egy egész kaszkád segítségével a sejtre és a receptorra jellemző választ indítanak el. Sok élettani ligandum, neurotranszmitter teljes agonistaként viselkedik a megfelelő receptoron. Affinitásuk magas, a ligandumok disszociációs konstansa a 10–10 M nagyságrendben van.

 

A legtöbb gyógyszer esetében az adott kvantális hatás kiváltásához szükséges dózis log-normális eloszlást követ, vagyis ha a dózisokat logaritmikus skálán ábrázoljuk, az eloszlás Gauss-görbét formáz. Ez azt jelenti, hogy a legtöbb egyednél a közepes dózistartományba eső mennyiség szükséges a kívánt hatás eléréséhez, míg kevesen reagálnak már nagyon alacsony vagy csak nagyon magas dózisra. A gyakorisági görbe alapját adó hisztogram kumulatív megjelenítésével kapjuk meg a kvantális dózis–hatás görbét. Ezen a görbén a maximális hatás azt jelenti, hogy az összes kezelt egyednél kialakult az adott hatás. A hatás erősségét jellemző egyik fontos paraméter a medián ED50 (terápiás hatás esetén) vagy a medián TD50 (toxikus hatás esetén). Ez az a dózis, amely a kezelt egyedek 50%-ánál váltja ki az adott terápiás vagy toxikus hatást. Az akut toxicitási vizsgálatok során, ahol a szer halálos hatását vizsgálják, a dózis és az elhullott állatok arányának összefüggését ábrázolják, és meghatározzák a medián LD50 értéket. A gyógyszerek biztonságosságát és terápiás határait a medián TD50/ED50, illetve LD50/ED50 hányadosok segítségével mérik. Minél nagyobb ez az érték, annál biztonságosabb a gyógyszer, hiszen a toxikus dózisok jelentősen meghaladják a terápiás tartományt.

 

Az R* forma aktiválja a jelátviteli folyamatokat, míg az R nem képes erre. A két konformációs forma dinamikus egyensúlyban van. Ligandum (Lig) hiányában az inaktív receptorforma van jelen nagyobb arányban. Miután kis mennyiségben a spontán aktív R* forma is jelen van, agonista hiányában is alacsony intenzitású, „csordogáló” jelátvitel áll fenn az R* mennyiségének megfelelően. Ha agonista van jelen, az kötődik az R* formához, amely így már nem része az R ↔ R* egyensúlynak, ezért az jobbra tolódik el. Emiatt több lesz a jelátvivő konformációban részt vevő aktív receptor (R* és R*–Lig), ami magyarázza az agonista hatás kialakulását. A parciális agonisták a receptor aktív és inaktív formájához is képesek kötődni, de különböző mértékben, és az egyensúlyt kisebb mértékben tolják el az R* forma javára, mint a teljes agonisták. Előfordulhat, hogy agonista hiányában is jelentős receptoriális válasz, ún. bazális vagy konstitutív receptoraktivitás mérhető. Ennek egyik forrása az, ha a receptor jelentősen túlexpresszált egy szövetben, ilyenkor ugyanis változatlan R/R* arány mellett is elegendő lehet az R* abszolút mennyisége a válasz elindítására. A másik lehetőség, hogy receptormutánsok mutatnak konstitutív aktivitást. Mindkét eset előfordulhat a malignusan transzformált daganatsejtekben. A receptorligandumok egy speciális fajtája, az ún. inverz agonisták képesek ennek a konstitutív, agonista hiányában folyó jelátvitelnek a csökkentésére, ugyanakkor a hagyományos agonisták fokozzák az alapaktivitást (2.1.6. ábra).

 

Az inverz agonista preferenciálisan az inaktív konformációhoz kötődik, ezáltal az egyensúlyt az inaktív receptorok irányába tolja el, ezért az inaktív receptorok (R és R–Lig) aránya nagyobb lesz, mint a ligandum nélküli alapállapotban (2.1.5. ábra). Ennek megfelelően a jelátvitel kevésbé intenzív lesz, mint alaphelyzetben, azaz mint az agonista hiányában mérhető jelátvitel. Olyan betegségek esetében, amikor számottevő konstitutív aktivitás áll fenn, az inverz agonisták különösen jó hatásúak lehetnek. Több, korábban kompetitív antagonistának tartott gyógyszerről derült ki újabban, hogy valójában inverz agonisták (pl. a H1-antagonisták, H2-antagonisták, egyes β-blokkolók). Az inverz agonisták esetleges szerepe a szervezet fiziológiás szabályozásában ismeretlen.

 

A receptorok csoportosítása többféle módon lehetséges. Elhelyezkedésük szerint lehetnek sejtfelszíni vagy intracelluláris receptorok. Az intracelluláris receptorok a citoplazmában, illetve a sejtmagban találhatóak, ámbár ez a megkülönböztetés a transzlokáció miatt nehézkes. A működés alapján a receptorok négy csoportba oszthatók (2.1.1. táblázat). Az ioncsatornához kapcsolt ún. ionotrop receptorok a gyors ingerületátvitel kulcsfontosságú elemei. Ebbe a csoportba tartoznak például az acetilkolin nikotinreceptorai (izom- és idegrendszeri altípusok), a szerotonin 5-HT3-receptora, a GABAA-receptor, a glicin-receptor, valamint a glutaminsav NMDA-, AMPA- és kainát-receptorai, továbbá a purinerg P2X-receptorok. Ezek a receptorok általában négy–öt fehérje-alegységből épülnek fel, ezek mindegyike négy, a membránt átszelő α-hélixet tartalmaz, amelyek főként hidrofób aminosavakból állnak. Az ioncsatorna szerkezetének kialakításában minden alegység egy transzmembrán hélixe vesz részt. Az ioncsatorna szelektivitását az egyes hélixek aminosav-sorrendje határozza meg, ennek alapján a csatorna vagy kationok (például Na+, K+ és esetenként Ca2+), vagy anionok (Cl−) számára átjárható. Ha egy agonista molekula kötődik a receptor extracelluláris ligandumkötő alegységéhez, a receptor térszerkezete megváltozik, ami az ioncsatorna átmeneti megnyílását eredményezi. Ennek hatására az ionok az elektrokémiai gradiensük szerint mozognak a csatornán keresztül, ami membrán-depolarizációhoz vagy -hiperpolarizációhoz vezet. Az ionáramlás a csatorna spontán záródásával szűnik meg. Az ioncsatornához kötött receptorok rendkívül gyors jelátvitelt tesznek lehetővé, ennek időállandója a milliszekundumos tartományba esik, ami kulcsszerepet játszik a gyors szinaptikus ingerületátvitelben. Ezek a receptorok nemcsak a sejtfelszínen, hanem a sejten belül is előfordulnak. Például az IP3-receptor az endoplazmatikus (vagy szarkoplazmatikus) retikulum membránjában található.

 

 

A hét transzmembrán szakasszal rendelkező (7TM) ún. metabotrop receptorok ligandumai kis molekulájú, vízoldékony biogén aminok vagy peptid természetű anyagok. A ligandum kötődése nyomán kialakuló konformációváltozás hatására aktiválódnak heterotrimer (α–β–γ komplexként jelen levő) G-fehérjék. Nevüket arról kapták, hogy az α-alegység képes a guaninnukleotidokat kötésére és lebontására. Jelenlegi ismereteink szerint az α-alegységnek legalább 20 különböző variánsa ismert, míg a β-alegységnek 6, a γ-alegységnek pedig 12 típusa létezik. Ezek kombinációja jelentős változatosságot biztosít a G-proteinek számára. Funkciójuk alapján a G-proteinek három fő csoportba sorolhatók: Gs, Gi és Gq. A G-fehérjék kulcsszerepet játszanak abban, hogy a receptoraktiváció jeleit továbbítsák a membránban található különféle célmolekulákhoz, más néven effektorstruktúrákhoz. Egy adott receptor általában több G-proteint is aktivál, és mivel a G-proteinek működése hosszabb ideig tart, mint a receptoroké, mindez hozzájárul a biológiai jel erősítéséhez. Nyugalmi állapotban az α-alegységhez guanozin-5’-difoszfát (GDP) kapcsolódik. Amikor egy agonista molekula kötődik a receptorhoz, intracelluláris részének szerkezete megváltozik, ami lehetővé teszi, hogy a G-protein (α–β–γ komplex) hozzákapcsolódjon a receptorhoz. Ennek eredményeként a GDP guanozin-5’-trifoszfátra (GTP) cserélődik, majd az α-alegység (α-GTP) leválik a β–γ komplexről, és a membránban található célmolekulákhoz kapcsolódik. Az így aktivált struktúrák közvetítik a jelátviteli folyamatokat, amelyek során gyakran, de nem minden esetben, másodlagos hírvivő molekulák (messengerek) keletkeznek, amelyek a sejten belüli jelátvitel fontos elemei. Megjegyzendő, hogy a β–γ komplex is részt vehet a jelátvitel közvetítésében, például az opioidreceptorok esetében. A G-proteinhez kapcsolt receptorok jelátviteli ideje másodperces nagyságrendű. A ligandum kötődését követő folyamatok, amelyek az effektorválasz létrejöttéhez vezetnek, igen bonyolultak és sokrétűek (ezek ismertetését ennek a könyvnek a keretei nem teszik lehetővé). Az α-alegység inaktiválódása a saját GTPáz-aktivitásának köszönhetően történik: lebontja a kötött GTP-t, egy foszfátcsoport eltávolításával GDP-vé alakítja, majd az így keletkező α-GDP újra egyesül a β–γ komplexszel.

A receptorok azért is kitűnő célpontok a gyógyszeres beavatkozáshoz, mert amplifikálják a jelet, így jelentős hatás érhető el kis mennyiségű agonista által. A jelamplifikáció klasszikus példája az adrenalin, amelynek koncentrációja 100 pmol/l, míg a kaszkád végén megjelenő válaszban a glükóz koncentrációja normálisan 5 mmol/l (2.1.2. táblázat). Az amplifikáció a kaszkád minden szintjén megnyilvánul: a receptor szintjén, oly módon, hogy az aktivált receptor több mint száz G-fehérjét is megköthet szekvenciálisan, megsokszorozva a másodlagos messenger-hatásokat.

 

A receptorok általában „fölöslegben” vannak jelen, jelentős hányadukhoz nem kötődik ligandum élettani körülmények között (ún. receptorrezerv vagy más néven tartalékreceptorok mutathatók ki, 2.1.7. ábra). A nagy fölöslegben lévő receptorok segítik az élettani funkciót oly módon, hogy már nagyon kis koncentrációban jelen lévő agonista is képes kiváltani a rá jellemző választ. Ha az összes jelen lévő receptornak agonistát kellene kötni ahhoz, hogy a válasz létrejöjjön, akkor ezt csak végtelen nagy ligandumkoncentrációnál lehetne elméletileg. A feleslegben expresszált receptorok tehát lehetővé teszik, hogy a jellemző biológiai hatás már alacsony receptorokkupancia esetében is kialakulhasson, lehetővé téve a jóval a Kd érték alatti agonistakoncentrációk biológiai hatékonyságát.

 

 

Érdekes módon egy sejt általában többféle receptort tartalmaz, mint ahányféle működésre képes a környezete szempontjából. Ez redundáns, különösen, ha elfogadjuk, hogy egyes sejttípusokban a másodlagos messengereknek részben közös készlete van a sejtben, azaz többféle receptorról bejövő agonista- és antagonista-válasz ugyanazt a cAMP-készletet modulálja. Erre példaként említhetők a zsírsejtek: az ACTH, glukagon, adrenalin a megfelelő receptoraikhoz kötődve emelik a cAMP szintjét a sejtben (2.1.8. ábra). Ha egy receptoron keresztül maximális cAMP-emelkedést értünk el, további cAMP-fokozódás más típusú receptor stimulálásával már nem érhető el. Előfordulhat, hogy két különféle típusú receptor aktiválódása szükséges ahhoz, hogy a maximális stimuláció létrejöjjön. Az adenilil-cikláz aktiválása noradrenalinnal bizonyos idegrendszeri preparátumban csak akkor jön létre, ha egyidejűleg az adenozinreceptorok is aktiválódnak adenozin által. Ha a két bejövő jel nincs szinkronizálva, csak nagyon gyenge választ lehet látni. Az adenilil-cikláz ily módon koincidencia-detektorként működik, a G-fehérjéktől jövő szignál integrálásával. Pusztán elméleti megállapításként elmondható, hogy egy adott nagyságú cAMP-szintváltozás és celluláris hatás két módon érhető el: egy receptorról bejövő maximális jel alapján vagy több receptortípusról bejövő kis jelek összességeként. Elképzelhető, hogy a nagy jelet adó receptor expressziója megváltozik ennek következtében, ami a hatás módosulását vonja maga után, míg a második esetben a receptorok expressziójának változása nem következik be. Ez az elméleti megfontolás magyarázhatja a kis affinitású, de sokcélpontú szerek hatásosságát.

 

 

Ismételt vagy folyamatos gyógyszeradás esetén a hatás gyakran gyengül vagy ritkán meg is szűnik. Ez kialakulhat viszonylag gyorsan (órákon belül), ilyenkor tachifilaxiáról beszélünk, vagy lassabban (napok–hetek során), amit toleranciának nevezünk. Agonisták esetében a hatáscsökkenés oka lehet a receptorok deszenzibilizációja, ami sokszor a receptor foszforilációs állapotának megváltozásán alapul. A hatáscsökkenés lassabban kialakuló formája a receptorszám csökkenésének (down-reguláció) a következménye. Hosszan tartó antagonistakezelés után a receptorok száma megnőhet (up-reguláció), ami ún. „rebound” hatásért lehet felelős (pl. tartós β-blokkoló-kezelés gyors megvonásakor kialakuló szimpatikus túlműködés).

 

Fiziológiás körülmények között csak agonistajelek léteznek a receptorok ortosztérikus kötőhelyén. Az élő szervezetek általában nem termelnek antagonistákat a saját receptoraik számára (kivétel például az interleukin-1 endogén antagonistája). Fiziológiás körülmények között egy adott receptornak csupán agonistái vannak, „kikapcsoló molekula” nincs. Kikapcsolóként a jelzés (az agonista) hiánya, azaz a működés stimulációjának hiánya szerepel. Ilyen módon a gyógyszerként alkalmazott antagonisták mesterséges alkotások, nem csupán molekulakonstrukciókként, hanem mechanizmusként is.

 

ahol r a koncentrációarány, c’Ag az agonista (adott hatást kiváltó) koncentrációja az antagonista jelenlétében, cAg az agonista (adott hatást kiváltó) koncentrációja az antagonista hiányában, cAnt az antagonista koncentrációja és Kd,Ant az antagonista−receptor komplex egyensúlyi disszociációs állandója (az antagonista affinitása).

A receptoron a természetes ligandum kötőhelyéül az ortosztérikus kötőhely szolgál. Ezen túlmenően egyéb, ún. allosztérikus kötőhelyek is ismertek sok receptor esetében. Az allosztérikus kötőhely lokalizációja határozottan elkülönül a receptoron az ortosztérikus kötőhelytől. Az egyes receptor-altípusok az ortosztérikus kötőhely nagy homológiáját mutatják, hiszen a fiziológiás ligandumuk ugyanaz az endogén molekula. Ez azt is jelenti, hogy nehéz olyan struktúrákat találni, amelyek kizárólag az egyik vagy másik altípushoz kötődnek. Amíg a receptor-altípusok fiziológiás ortosztérikus liganduma ugyanaz a molekula, addig a fiziológiás allosztérikus modulátorok jelentősen eltérő szerkezetűek lehetnek annak köszönhetően, hogy az allosztérikus kötőhely homológiája nem követi az ortosztérikus hely homológiáját. Az allosztérikus kötőhelyek tehát új lehetőséget jelentenek az egyes altípusok szelektív megcélzásához.