第四节 药物与受体

受体(receptor)是细胞在进化过程中形成的细胞蛋白组分，能识别周围环境中某种微量化学物质，首先与之结合，并通过中介的信息转导与放大系统，触发随后的生理反应或药理效应。自从Langley 提出受体学说100年后，受体已被证实为客观存在的实体，类型繁多，作用机制多已被阐明，现在受体已不再是一个空泛笼统的概念。受体分子在细胞中含量极微，1mg 组织一般只含10fmol左右。能与受体特异性结合的物质称为配体(ligand)。受体仅是一个感觉器，对相应配体有极高的识别能力。受体-配体是生命活动中的一种偶合，受体都有其内源性配体，如神经递质、激素、自身活性物(autocoid)等。能激活受体的配体称为激动药(agonist)，能阻断其活性的配体称为拮抗药(antagonist)。根据受体与配体结合的高度特异性，受体被分为若干亚型，如肾上腺素受体又分为α₁、α₂、β₁和β₂等亚型，其分布及功能都有区别。受体与配体有高度亲和力，多数配体在1pmol～1nmol/L的浓度时即可引起细胞的药理效应。反应之所以如此灵敏主要是靠后续的信息转导系统，如细胞内第二信使(second messenger)的放大、分化及整合功能。酶、载体、离子通道及核酸也可与药物直接作用，但这些物质本身具有效应力，故严格地说不应被认为是受体。某些细胞蛋白组分可与配体结合，但没有触发效应的能力，称为结合体 (acceptor)。

一、受体动力学

受体动力学一般用放射性同位素标记的配体(L)与受体(R)做结合试验研究。取一定量组织，磨成细胞匀浆，分组加入不同浓度的放射性同位素标记的配体(药物)，温孵待反应达平衡后，迅速过滤或离心分出细胞，用缓冲液洗去尚未结合的放射性配体，测定标本的放射强度，这是药物与细胞结合的总量，此后用过量冷配体(未用同位素标记的配体)洗脱特异性与受体结合的放射性配体再测放射强度，这是药物非特性结合量。将总结合量减去非特性结合量就可以获得L-R结合(B)曲线。如果L只与单一R可逆性结合，以B为纵座标，[L]为横座标，L-R结合曲线为直方双曲线(图2-5)。如将横座标改用log[L]([]表示摩尔浓度)则呈典型的S形量效曲线。

按质量作用定律

(E代表效应)

反应达到平衡时

(K_D是解离常数)

因为[R_T]=[R]+[LR](R_T为受体总量)，代入上式并经推导得

由于只有LR才发挥效应，故效应的相对强弱与LR相对结合量成比例，即

按此公式以E为纵座标，log[L]为横座标作图，结果与实验数据图形完全一致。

当[L]=0时，效应为0，

当[L]>>K_D时，[LR]/[R_T]=100%，达最大效能，即[LR]_max=[R_T]。

当[LR]/[R_T]=50%时，即EC₅₀时，K_D=[L]。

K_D表示L与R的亲和力(affinity)，单位为摩尔。各药(L)与R亲和力不同，K_D越大时亲和力越小，二者成反比。令pD₂=-logK_D则其值不必用摩尔单位、数值变小且与亲和力成正比，在半对数座标上也较易理解，故pD₂较为常用。

药物与受体结合产生效应不仅要有亲和力，还要有内在活性(intrinsic activity),后者用α表示，0≤α≤100%。故上述公式应加入这一参数：E/E_max⁼ α[LR]/[R_T]。两药亲和力相等时其效应强度取决于内在活性强弱，当内在活性相等时则取决于亲和力大小(图2-6)。

将上述受体动力学基本公式([LR]/[R_T]=[L]/K_D+[L])加以推导改变可将S形量效曲线改变为直线关系，使计算方便很多也准确很多：

1.双倒数图 将上述基本公式两侧取倒数后加以推导得1/[LR]=K_D/[L][R_T]+1/[R_T]。以1/[LR]为纵座标、1/[L]为横座标作图得直线(图2-7),斜率为K_D[R_T],即K_D/E_max，与纵座标交点为1/[R_T]，即1/E_max ，与横座标交点为-1/K_D。

2.Scatchard图 推导得公式[LR]/[L]=[R_T]/K_D-[LR]/K_D以[LR]/[L]，为纵座标，[LR]为横座标作图也呈直线(图2-8)，斜率为-1/[K_D] ，与纵座标交点为[R_T]/K_D，与横座标交点为[R_T]。

这些直线关系图解在受体研究中有重要用途，也可加深对受体动力学的理解

图2-6   药物与受体的亲和力及其内在活性对量效曲线的影响
A图  a,b,c三药与受体的亲和力(pD2)相等，但内在活性(E_max)不等
B图 a,b,c 三药与受体的亲和力(pD2)不等，但内在活性(E_max)相等

图2-7  受体结合量效关系的双倒数作图

图2-8  受体结合量效关系的Scatchard作图

一些活性高的药物与相应受体结合的量效曲线 (B-log[L]曲线)并不一定与结合后产生效应的量效曲线(E-log[L]曲线)相重合。因为这类药物只需与一部分受体结合就能发挥最大效应(E_max)，剩余下未结合的受体为储备受体(spare receptor)。这对理解拮抗药作用机制有重要意义，因为这类拮抗药必须在完全占领储备受体后才能发挥其拮抗效应。

受体激动药(L)对相应受体有较强的亲和力，也有较强的内在活性，α达100%。受体拮抗药(I)虽然也有较强的亲和力，但缺乏内在活性，α=0，本身不能引起效应，却占据一定量受体，拮抗激动药的作用。竞争性拮抗药(competitive antagonist)能与激动药互相竞争与受体结合，这种结合是可逆性的。在实验中如果L与I同时存在则[R_T]=[R]+[LR]+[IR]，代入上述基本公式并加推导得

可见L和I同时存在时，如L这一因素固定不变，药理效应大小取决于[I]/K₁(K₁是I的解离常数)。[I]越高及(或)K₁越小时效应越弱，即拮抗效果越强。当[L]>>[I]时，[LR]/[R_T]→100%，这就是竞争性拮抗药使量效曲线平行右移(E_max不变)的理论解释(图2-9)。

在有一定量的竞争性拮抗药[I]存在时，增加[L]至[L’]仍可使药理效应维持在原来单用[L]时的水平。据此，

将之推导得

[L’]/[L]是剂量比 (dose ratio)，即将[L]增加[L’]/[L]倍就能克服[I]的拮抗作用。该比值也取决于[I]/K₁而与[L]绝对值或K_D无关。将此公式两侧取log，并以log([L’]/[L]-1)为纵座标、以-log[I]为横座标作图，呈直线，斜率为1，与横座标交点为-logK₁，即pA₂此即Schild 图(图2-10)。按Schild定义，拮抗参数pA_x是指剂量比为X时竞争性拮抗药浓度的负对数值。常用pA₂，即 [L’]/[L]=2时的数值，则pA₂=-log[I]=-logK₁，些参数反映拮抗药的拮抗强度，其值越大表示拮抗作用越强。

图2-9 竞争性拮抗药(A图)、非竞争性拮抗药(B图)及部分
激动药(D图)对激动药(虚线)量效的影响及激动药(C图)
对部分激动药(虚线)量效曲线的影响

图2-10 竞争性拮抗作用的Schild作图

非竞争性拮抗药(noncompetitive antagonist)与R结合非常牢固，分解很慢或是不可逆转，使能与L结合的R数量减少。另一类非竞争性拮抗药可阻断受体后某一中介反应环节而使受体-效应功能容量减少。二者共同特点是使量效曲线高度(E_max)下降。但L与剩余的R结合动力学不变，即K_D不变。在双倒数图中更易看出这一关系(图2-11)。

图2-11 竞争性拮抗作用与非竞争性拮抗作用比较
A图 量效曲线 B图 双倒数曲线
X 单用激动药 Y 竞争性拮抗药对激动药的拮抗作用
Z 非竞争性拮抗药对激动药的拮抗作用

还有一类药物称为部分激动药(partial agonist)和R结合的亲和力不小，但内在活性有限，α<100%，量效曲线高度(E_max)较低。与激动药同时存在时，当其浓度尚未达到E_max时，其效应与激动药协同，超过此限时则因与激动药竞争R而呈拮抗关系，此时激动药必需增大浓度方可达到其最大效能。可见部分激动药具有激动药与拮抗药两重特性。(图2-9C、D)

目前放射性配体-受体结合技术已普遍用于受体研究，但必需和药理效应实验结合进行才有意义。

为什么化学结构类似的药物作用于同一受体有的是激动药，有的是拮抗药，还有的是部分拮抗药？还可用二态模型(two-state model) 学说解释。按此学说，受体蛋白有两种可以互变的构型状态：静息状态(R)与活动状态(R^*)(图2-12)。静息时平衡趋向R。活动药只与R^*有较大亲和力，L-R^*结合后充分发挥药理效应。部分激动药(P)与R及R^*都能结合但对R^*的亲和力大于对R的亲和力，故只有部分受体被激活而发挥较小的药理效应。拮抗药对R及R^*亲和力相等，且能牢固结合，但保持静息状态时两种受体状态平衡，拮抗药不能激活受体但能阻断激动药作用。个别药物(如苯二氮类)对R亲和力大于R^*，结合后引起与激动药相反的效应，称为超拮抗药(superantagonist)。这一学说容易理解，但有待进一步实验证实。

二、受体类型

根据受体蛋白结构、信息传导过程、效应性质、受体位置等特点，受体大致可分为下列4类：

1. 含离子通道的受体 又称直接配体门控通道型受体，它们存在于快速反应细胞的膜上，由单一肽链反复4次穿透细胞膜形成1个亚单位，并由4～5个亚单位组成穿透细胞膜的离子通道，受体激动时离子通道开放使细胞膜去极化或超极化，引起兴奋或抑制效应。最早发现的N型乙酰胆碱受体就是由α×2、β、γ、δ5个亚单位组成的钠离子通道，在α亚单位上各有一个乙酰胆碱结合点(图2-13A)与乙酰胆碱结合后，钠离子通道开放，胞外钠离子内流、细胞膜去极化、肌肉收缩。这一过程在若干毫秒内完成(钠离子通道开放时间仅1ms)。脑中γ氨基丁酸(GABA)受体情况类似，其他如甘氨酸、谷氨酸、天门冬氨酸受体都属于这一类型。

2.G-蛋白偶联受体 这一类受体最多，数十种神经递质及激素的受体需要G-蛋白介导其细胞作用，例如肾上腺素、多巴胺、5-羟色胺、M-乙酰胆碱、阿片类、嘌呤类、前列腺素及一些多肽激素等的受体，这些受体结构非常相似，都为单一肽链形成7个α-螺旋来回穿透细胞膜，N-端在细胞外，C-端在细胞内，这两段肽链氨基酸组成在各种受体差异很大，与其识别配体及转导信息各不相同有关。胞内部分有G-蛋白结合区(图2-13B)。G-蛋白(G-protein)是鸟苷酸结合调节蛋白的简称，存在于细胞膜内侧，由三个亚单位组成。主要有两类，其一为兴奋性G-蛋白(G_S)，霍乱弧菌毒素能使之活化，激活腺苷酸环化酶(AC)；另一为抑制性G-蛋白(G_i)，抑制AC，百日咳杆菌素抑制之。G-蛋白还介导心钠素及NO对鸟苷酸环化酶(GC)的激活作用。此外G-蛋白对磷脂酶C、磷脂酶A₂、Ca²⁺、K⁺离子通道等有重要调节作用。一个受体可激活多个G-蛋白，一个G-蛋白可以转导多个信息给效应机制，调节许多细胞功能。

3.具有酪氨酸激酶活性的受体 这一类细胞膜上的受体由三个部分组成(图2-13C)，细胞外有一段与配体结合区，中段穿透细胞膜，胞内区段有酪氨酸激酶活性，能促其本身酪氨酸残基的自我磷酸化而增强此酶活性，再对细胞内其他底物作用，促进其酪氨酸磷酸化，激活胞内蛋白激酶，增加DNA及RNA合成，加速蛋白合成，从而产生细胞生长分化等效应。胰岛素、胰岛素样生长因子、上皮生长因子、血小板生长因子及某些淋巴因子(lymphokines)的受体属于这一类型。

4.细胞内受体 甾体激素受体存在于细胞浆内，与相应甾体结合后分出一个磷酸化蛋白，暴露与DNA结合区段，进入细胞核能识别特异DNA碱基区段并与之结合促进其转录及以后的某种活性蛋白增生(图2-13D)。甲状腺素受体存在于细胞核内，功能大致相同。这两种受体触发的细胞效应很慢。需若干小时。

        A.直接配体门控通道型

图2-13 受体类型示意图

三、第二信使

受体在识别相应配体并与之结合后需要细胞内第二信使(second messenger) 将获得信息增强、分化、整合并传递给效应机制才能发挥其特定的生理功能或药理效应。最早发现的第二信使是环磷腺苷(cAMP)，现在知道还有许多其他物质参与细胞内信息转导。这是一个非常复杂的系统，简示如下(图2-14)，很多问题尚有待进一步阐明。

1.G-蛋白 G蛋白是一类存在于细胞膜内侧的调节蛋白，都是由三个不同亚单位α、β、γ组成的三聚体。静息状态时与GDP结合。相应受体激活后GDP-α、β、γ复合物在Mg²⁺参与下，结合的GDP与胞浆中GTP交换，GTP-α与β、γ分离并与相应的效应机制结合，同时配体与受体分离。α亚单位内在的GTP酶活性促使GTP水解为GDP，激活效应机制，从而恢复原来静息状态(图2-15)。G_S激活腺苷酸环化酶(AC)，使cAMP增加。Gi抑制AC，使cAMP减少，G-蛋白还激活磷脂酶C(PLC)，调节Ca²⁺、K⁺等离子通道。对鸟苷酸环化酶也有激活作用，作用非常广泛，介导多种效应。近来发现G-蛋白还介导激活磷脂酶A₂(PLA₂)而产生花生四烯酸(AA)，后者是各种前列腺素及白三烯的前体。

图2-14 第二信使系统示意图

2. 环磷腺苷(cAMP) cAMP是ATP经AC作用的产物。β受体、D₁受体、H₂受体等激动药通过G_S作用使AC活化，ATP水解而使细胞内cAMP增加。α受体、D₂受体、MACh受体、阿片受体等激动药通过Gi作用抑制AC，细胞内cAMP减少。cAMP受磷酸二酯酶(phosphodiesterase，PDE)水解为5’AMP后灭活。茶碱抑制PDE而使胞内cAMP增多。cAMP能激活蛋白激酶A (PKA)而使胞内许多蛋白酶磷酸化(ATP提供磷酸基)而活化，例如磷酸化酶、脂酶、糖原合成酶等活化而产生能量。钙离子通道磷酸化后激活，钙离子内流而使神经、心肌、平滑肌等兴奋。

图2-15 G-蛋白作用示意图

3.环磷鸟苷(cGMP) cGMP是GTP经鸟苷酸环化酶(GC)作用的产物，也受PDE灭活。cGMP作用与cAMP相反，使心脏抑制、血管舒张、肠腺分泌等。CGMP可以独立作用而不受cGMP制约。cGMP可激活蛋白酶G而引起各种效应。

4.肌醇磷脂(phosphatidylinositol) 细胞膜肌醇磷脂的水解是另一类重要的受体信息转导系统。α、H₁、5-HT₂、M₁、M₃等受体激动药与其受体结合后通过G-蛋白介导激活磷脂酶C(PLC)PLC使4,5-二磷酸肌醇磷脂(PIP₂)水解为二酰甘油(DAG)及1,4,5-三磷酸肌醇(IP₃)。DAG在细胞膜上激活蛋白激酶C(PKC)，使许多靶蛋白磷酸化而产生效应，如腺体分泌，血小板聚集，中性粒细胞活化及细胞生长、代谢、分化等效应。IP₃能促进细胞内钙池释放Ca²⁺，也有重要的生理意义。

5.钙离子 细胞内Ca²⁺浓度在1μmol/l以下，不到血浆Ca²⁺的0.1%，对细胞功能有着重要的调节作用，如肌肉收缩、腺体分泌、白细胞及血小板活化等。细胞内Ca²⁺可从细胞外经细胞膜上的钙离子通道流入，也可从细胞内肌浆网等钙池释放，两种途径互相促进。前者受膜电位、受体、G-蛋白，蛋白激酶A(PKA)等调控，后者受IP₃作用而释放。细胞内Ca²⁺激活蛋白激酶C(PKC)，与DAG有协同作用，共同促进其他信息传递蛋白及效应蛋白活化。很多药物通过对细胞内Ca²⁺影响而发挥其药理效应，故对细胞内Ca²⁺调控及其作用机制近年来受到极大的重视。

四、受体的调节

受体虽是遗传获得的固有蛋白，但并不是固定不变的，而经常代谢转换处于动态平衡状态，其数量，亲和力及效应力经常受到各种生理及药理因素的影响。连续用药后药效递减是常见的现象，一般称为耐受性(tolerance)、不应性(refractoriness) 、快速耐受性(tachyphylaxis) 等。由于受体原因而产生的耐受性称为受体脱敏(receptor desensitization)。N₂-ACh受体在受激动药连续作用后若干秒内发生脱敏现象，这是由于受体蛋白构象改变，钠离子通道不再开放所致。β-Adr受体脱敏时不能激活AC是因为受体与G-蛋白亲和力降低，或由于cAMP上升后引起PDE负反馈增加所致。具有酪氨酸激酶活性的受体可被细胞内吞(endocytosis)而数目减少，这一现象称为受体数目的向下调节(down regulation)。受体与不可逆拮抗药结合后其后果等于失去一部分受体，如银环蛇咬伤中毒时，N₂-ACh受对激动药脱敏。与此相反，在连续应用拮抗药后受体会向上调节(up regulation)，反应敏化。例如长期应用β-Adr受体拮抗药后，由于受体向上调节，突然停药时会出现反跳反应。

(中山医科大学 孙家钧)

校对时间:00-09-22 16:37:26 白艳萍