Receptors and Second Messengers

Определение

Рецептор — макромолекула (чаще белок) на клеточной мембране, в цитоплазме или в ядре, которая избирательно распознаёт сигнальную молекулу (нейромедиатор, гормон, цитокин) или лекарственное вещество и превращает химический сигнал в клеточный ответ. Большинство лекарств действуют именно так: препарат связывается с рецептором и либо воспроизводит действие естественного лиганда, либо блокирует его.

Вторичные посредники (мессенджеры) — малые внутриклеточные молекулы и ионы (цАМФ, цГМФ, инозитолтрифосфат, диацилглицерол, Ca²⁺, NO), которые передают и многократно усиливают сигнал от активированного рецептора к ферментам и каналам клетки.

Зачем это знать врачу. Знание типа рецептора и его каскада позволяет:

• предсказать скорость начала эффекта (миллисекунды, секунды, часы или дни);
• понять, почему препараты разных групп дают одинаковый конечный эффект (β₂-агонисты и теофиллин расширяют бронхи через один и тот же цАМФ);
• объяснить синдром отмены и привыкание (изменение числа и чувствительности рецепторов при длительном лечении);
• заранее увидеть пары препаратов, действующих на один путь с противоположным знаком.

Общие понятия «доза — эффект» разобраны в Фармакодинамика; здесь — молекулярная основа этих закономерностей.

Четыре типа рецепторов

Рецепторы-мишени лекарств делят на четыре суперсемейства. Главные различия между ними — строение, путь передачи сигнала и скорость ответа.

Тип	Строение и передача сигнала	Скорость ответа	Примеры препаратов
Лиганд-зависимые ионные каналы (ионотропные)	олигомер из 4–5 субъединиц с центральной порой; лиганд открывает канал, возникает ионный ток	миллисекунды	никотиновые холинорецепторы (суксаметоний, рокуроний), ГАМК_А (бензодиазепины, барбитураты), 5-HT₃ (ондансетрон), NMDA (кетамин, мемантин)
G-белок-сопряжённые (GPCR)	семь трансмембранных доменов, гетеротримерный G-белок, фермент-эффектор, вторичный посредник	секунды–минуты	адренорецепторы, опиоидные, мускариновые, гистаминовые, дофаминовые, ангиотензиновые
Рецепторы с ферментативной активностью	один трансмембранный домен с тирозинкиназой (или связанной киназой); лиганд вызывает димеризацию и аутофосфорилирование	минуты–часы	рецептор инсулина; рецепторы факторов роста (EGFR, HER2, VEGFR) — мишени ингибиторов тирозинкиназ и антител; гуанилатциклаза-рецепторы натрийуретических пептидов (несиритид)
Внутриклеточные (ядерные)	растворимый белок: лиганд проникает в клетку, рецептор перемещается в ядро и меняет транскрипцию генов	часы–дни	глюкокортикоиды, минералокортикоиды (спиронолактон), половые гормоны, тиреоидные гормоны, PPARγ (пиоглитазон), витамин D

GPCR — самое многочисленное семейство: более 800 генов, и около трети зарегистрированных препаратов действуют на эти рецепторы.

Ионотропные рецепторы

Связывание агониста мгновенно открывает канал. Вход Na⁺ или Ca²⁺ деполяризует мембрану (возбуждение), вход Cl⁻ или выход K⁺ гиперполяризует (торможение). Вторичных посредников здесь нет, поэтому эффект самый быстрый и самый короткий. Агонисты и антагонисты действуют непосредственно на канал; ряд препаратов — аллостерические модуляторы (бензодиазепины и барбитураты у ГАМК_А-рецептора) или блокаторы поры (мемантин, амантадин у NMDA-рецептора). Миорелаксанты: суксаметоний — деполяризующий агонист, атракурий, рокуроний — конкурентные антагонисты никотиновых рецепторов.

G-белок-сопряжённые рецепторы

Рецептор после связывания лиганда меняет форму и активирует G-белок: ГДФ на α-субъединице заменяется на ГТФ, комплекс распадается и воздействует на эффектор. Тип G-белка определяет вторичный посредник (подробно ниже).

Рецепторы с ферментативной активностью

Агонист (инсулин, факторы роста) вызывает димеризацию рецепторов и взаимное фосфорилирование по тирозину; запускаются каскады PI3K/Akt и Ras/MAPK, которые регулируют метаболизм, рост и деление клетки. Эта группа — главная мишень таргетной терапии в онкологии: ингибиторы тирозинкиназ (иматиниб, гефитиниб, эрлотиниб, сунитиниб), моноклональные антитела (трастузумаб, цетуксимаб, бевацизумаб). К этому же типу относят JAK-STAT-путь цитокиновых рецепторов (тофацитиниб).

Внутриклеточные рецепторы

Липофильные вещества проходят через мембрану, связываются с цитоплазматическим рецептором, который освобождается от белков теплового шока (hsp90), димеризуется, переходит в ядро и связывается с элементами ответа на ДНК. Ответ медленный, потому что нужно синтезировать новые белки: эффект глюкокортикоидов или тиреоидных гормонов развивается часами и днями и держится после отмены. Глюкокортикоиды подавляют транскрипцию провоспалительных цитокинов (ИЛ-1, ИЛ-6, ФНО-α) и индуцируют противовоспалительные белки; спиронолактон блокирует рецептор альдостерона и препятствует задержке натрия.

G-белки и вторичные посредники

Три основных пути G-белков

G-белок	Эффектор	Посредник	Рецепторы	Препараты
Gs	активирует аденилатциклазу	↑ цАМФ → протеинкиназа А	β₁, β₂, D₁, H₂, V₂, A₂	агонисты: сальбутамол, добутамин, эпинефрин; антагонисты: бисопролол, метопролол, фамотидин
Gi/o	угнетает аденилатциклазу; открывает K⁺-каналы, закрывает Ca²⁺-каналы	↓ цАМФ	α₂, M₂, M₄, μ-/δ-/κ-опиоидные, D₂, 5-HT₁	агонисты: клонидин, морфин, фентанил, бромокриптин; антагонисты: атропин, галоперидол, метоклопрамид
Gq/11	активирует фосфолипазу С	↑ ИФ₃ и ДАГ → Ca²⁺ и протеинкиназа С	α₁, M₁, M₃, AT₁, H₁, V₁, 5-HT₂	агонисты: фенилэфрин, пилокарпин; антагонисты: доксазозин, тамсулозин, лозартан, лоратадин

цАМФ

Образуется из АТФ аденилатциклазой и разрушается фосфодиэстеразами. Эффект зависит от ткани:

• миокард (β₁): протеинкиназа А фосфорилирует Ca²⁺-каналы L-типа и фосфоламбан — положительное инотропное, хронотропное и дромотропное действие;
• гладкие мышцы бронхов и сосудов (β₂): протеинкиназа А инактивирует киназу лёгких цепей миозина — бронходилатация и вазодилатация.

Препараты: β₂-агонисты (сальбутамол, фенотерол) повышают синтез цАМФ; ингибиторы фосфодиэстеразы (милринон, теофиллин) замедляют его распад. Поэтому теофиллин и β₂-агонисты дают сходный бронходилатирующий эффект, а их сочетание усиливает друг друга (см. Agents Used in Bronchoobstructive Diseases).

цГМФ и оксид азота

Гуанилатциклаза синтезирует цГМФ в двух формах: растворимая (активируется NO) и мембраносвязанная (активируется предсердным натрийуретическим пептидом). цГМФ активирует протеинкиназу G, которая усиливает захват Ca²⁺ в депо и активирует фосфатазу лёгких цепей миозина — гладкая мускулатура сосудов расслабляется, агрегация тромбоцитов подавляется.

• Органические нитраты (нитроглицерин, изосорбида динитрат и мононитрат) и нитропруссид натрия — доноры NO, они воспроизводят действие эндогенного NO эндотелия (см. Nitroglycerin).
• Ингибиторы фосфодиэстеразы 5 (силденафил, тадалафил) продлевают жизнь цГМФ в сосудах кавернозных тел и лёгких.
• Небиволол через β₃-рецепторы стимулирует эндотелиальную NO-синтазу и даёт дополнительную вазодилатацию.

Из этого следует важное правило: нитраты и ингибиторы ФДЭ-5 нельзя сочетать — оба повышают цГМФ, и возможна глубокая гипотония.

ИФ₃ и ДАГ

Активированная фосфолипаза С расщепляет мембранный фосфолипид PIP₂ на две части с разными функциями:

• ИФ₃ (водорастворимый) открывает свои рецепторы на эндоплазматическом ретикулуме — Ca²⁺ выходит в цитозоль;
• ДАГ (жирорастворимый) остаётся в мембране и активирует протеинкиназу С — пролиферация, рост, гипертрофия, тонус гладких мышц.

Антагонисты α₁-рецепторов (празозин, доксазозин) и блокаторы AT₁ (валсартан, кандесартан) гасят этот путь и вызывают вазодилатацию; блокада AT₁ ещё и тормозит гипертрофию миокарда и сосудов (см. Alpha-Adrenergic Blockers).

Ионы кальция

Источники Ca²⁺ в цитозоле: вход через потенциалзависимые каналы L-типа и выход из ретикулума через ИФ₃-рецепторы и рианодиновые рецепторы. В гладкой мышце Ca²⁺ связывается с кальмодулином, комплекс активирует киназу лёгких цепей миозина — сокращение. В миокарде Ca²⁺ связывается с тропонином С и запускает сокращение.

Блокаторы кальциевых каналов (амлодипин, верапамил, дилтиазем) снижают вход Ca²⁺; левосимендан повышает чувствительность тропонина С к Ca²⁺ без перегрузки клетки кальцием.

Пути Gq и Ca²⁺ сходятся: многие изоформы протеинкиназы С зависят от Ca²⁺, а устойчивый ответ требует притока кальция извне.

Как лиганд взаимодействует с рецептором

Рецептор находится в равновесии между неактивной и активной формой; препарат смещает это равновесие. Характер действия определяют два независимых свойства.

• Сродство (аффинитет) — прочность связывания, измеряется константой диссоциации Kd. Чем ниже Kd, тем выше сродство и тем меньшая концентрация нужна, чтобы занять половину рецепторов.
• Внутренняя активность (эффективность) — способность вызвать ответ после связывания. Выражается отношением максимального эффекта вещества к максимальному эффекту полного агониста: от 0 до 1 (при учёте обратных агонистов — от −1 до +1).

Сродство определяет потенцию (в какой дозе препарат действует), внутренняя активность — максимальный эффект (потолок действия).

Тип лиганда	Сродство	Внутренняя активность	Что делает
Полный агонист	высокое	1	стабилизирует активную форму, даёт максимальный ответ (морфин, фентанил, эпинефрин, изопреналин)
Частичный агонист	высокое	от 0 до 1	даёт субмаксимальный ответ даже при полном занятии рецепторов
Нейтральный антагонист	высокое	0	занимает рецептор, не меняя его базальную активность
Обратный агонист	высокое	меньше 0	стабилизирует неактивную форму и снижает базальную активность рецептора

Частичные агонисты

В отсутствие естественного лиганда они действуют как слабые агонисты, а в присутствии полного агониста вытесняют его и действуют как конкурентные антагонисты — то есть выравнивают активность вверх или вниз. В тканях с большим рецепторным резервом частичный агонист может вести себя как полный. Примеры: варениклин и цитизин (никотиновые рецепторы: снижают тягу к курению и блокируют эффект никотина), арипипразол (D₂: гасит гиперактивацию мезолимбического пути и поддерживает тонус мезокортикального), буспирон (5-HT₁A), бупренорфин (опиоидные), пиндолол (β-рецепторы).

Конкурентные и неконкурентные антагонисты

Антагонисты имеют сродство, но не имеют внутренней активности: сами они ничего не вызывают, но блокируют агониста.

• Конкурентные (обратимые) связываются с тем же центром, что и агонист. Блок можно преодолеть увеличением концентрации агониста; кривая «доза — эффект» сдвигается параллельно вправо (растёт EC₅₀), а максимальный эффект достижим. Примеры: атропин, пропранолол, атенолол, налоксон, атракурий.
• Неконкурентные и необратимые связываются ковалентно или в аллостерическом центре. Рост концентрации агониста не помогает: кривая сдвигается и уплощается, максимальный эффект падает. Пример: феноксибензамин (необратимый α-блокатор при феохромоцитоме).

В лекарственных группах разница важна практически: конкурентный антагонист (налоксон) можно «перебить» большой дозой агониста, что объясняет повторные введения при отравлении длительно действующим опиоидом, а необратимый блок снимается только синтезом новых рецепторов.

Обратные агонисты

Многие рецепторы активны и без лиганда (базальная активность). Нейтральный антагонист оставляет её неизменной, обратный агонист — подавляет. Обратными агонистами считают большинство современных блокаторов H₁-рецепторов (цетиризин, лоратадин, дезлоратадин) и сартаны (валсартан, кандесартан), а также часть β-блокаторов. Практически различие проявляется при высокой базальной активности рецептора.

Аллостерические модуляторы

Связываются вне основного (ортостерического) центра и меняют сродство или эффективность агониста. Позитивные модуляторы усиливают действие эндогенного лиганда, но сами рецептор не активируют: бензодиазепины повышают сродство ГАМК к ГАМК_А-рецептору и частоту открытия хлорного канала, барбитураты и нейростероиды — аналогично. Отсюда два свойства: потолок эффекта (нельзя вызвать больше, чем даёт естественный лиганд) и зависимость от присутствия лиганда. Это объясняет относительно лучший профиль безопасности бензодиазепинов по сравнению с барбитуратами, которые при высоких дозах могут открывать канал и сами.

Смещённый агонизм

Один и тот же рецептор может запускать разные пути — через G-белок или через β-аррестин. Лиганд, предпочитающий один из них, называют смещённым агонистом. Пример — карведилол: блокирует Gs-путь β₁-рецептора, но запускает β-аррестиновый путь; разрабатываются «смещённые» μ-опиоидные агонисты с меньшим угнетением дыхания. Для практики достаточно знать, что понятия «агонист» и «антагонист» зависят от того, какой путь измеряют.

Резервные рецепторы

Максимальный эффект может возникнуть, когда занята лишь небольшая часть рецепторов. Остальные называют резервными. В такой системе EC₅₀ меньше Kd: ткань отвечает на малые концентрации лиганда.

Практические следствия:

• малые дозы необратимого антагониста сдвигают кривую вправо без падения максимального эффекта; снижение максимума начинается лишь когда резерв исчерпан;
• нервно-мышечная блокада становится заметной, когда занято около 70–80% никотиновых рецепторов — это «запас прочности» синапса;
• частичные агонисты в тканях с большим резервом ведут себя как полные.

Адаптация рецепторов при длительном лечении

Клетка подстраивает число и чувствительность рецепторов к постоянному сигналу. На этом построены привыкание и синдром отмены.

На агонисты	На антагонисты
десенситизация (снижение ответа)	ап-регуляция (рост числа рецепторов)
даун-регуляция (снижение числа)	суперчувствительность
тахифилаксия	синдром отмены («рикошет»)

Десенситизация

Быстрое снижение ответа на повторный стимул без обязательной потери рецепторов. Механизм на примере β-адренорецептора:

1. Агонист стимулирует рецептор; активируются киназы (GRK, протеинкиназы А и С).
2. Киназы фосфорилируют рецептор.
3. Фосфорилированный рецептор связывает β-аррестин, который физически разобщает его с G-белком — сигнал не передаётся.
4. β-аррестин ведёт рецептор к эндоцитозу; рецептор либо возвращается на мембрану (ресенситизация), либо разрушается.
5. Процесс обратим: после прекращения стимуляции фосфатазы дефосфорилируют рецептор.

Фосфорилирование рецептора без агониста (гетерологичная десенситизация) происходит под действием протеинкиназ А и С, активированных другими рецепторами.

Тахифилаксия

Быстро развивающееся (минуты, часы, несколько введений) ослабление эффекта, которое, в отличие от обычной толерантности, не преодолевается повышением дозы. Примеры: эфедрин вытесняет норадреналин из пресинаптических везикул — после 2–3 введений запасы истощены, и препарат перестаёт повышать давление, пока медиатор не синтезирован заново; закапывание сосудосуживающих в нос (нафазолин, ксилометазолин) быстро теряет эффект и приводит к медикаментозному риниту; повторные ингаляции β₂-агонистов и нитратов также теряют эффект.

Даун-регуляция

Длительная гиперстимуляция агонистом приводит к снижению числа функционирующих рецепторов: комплекс «агонист — рецептор» интернализируется в эндосомы и разрушается в лизосомах, снижается и синтез рецепторов. Примеры:

• длительное применение короткодействующих β₂-агонистов при астме снижает плотность β₂-рецепторов в бронхах; глюкокортикоиды восстанавливают синтез и экспрессию этих рецепторов;
• при хронической сердечной недостаточности постоянная гиперактивация симпатической системы приводит к снижению плотности β₁-рецепторов миокарда (примерно вдвое);
• толерантность к опиоидам (см. ниже).

Ап-регуляция и синдром отмены

Длительная блокада рецептора антагонистом приводит к росту числа и чувствительности рецепторов. Если антагонист внезапно отменить, избыточный пул рецепторов попадает под действие эндогенного медиатора — возникает «рикошет».

Клинические примеры

Отмена β-адреноблокаторов

Приём пропранолола в дозе 160 мг/сут повышал плотность β-рецепторов на лимфоцитах на 43% за пять дней; плотность оставалась высокой несколько дней после отмены, хотя препарат выводился за сутки. После резкой отмены чувствительность к изопреналину повышается через 2–6 дней (в среднем 4), держится 3–13 дней, пик около шестого дня. Проявления: тахикардия, повышение давления, нестабильная стенокардия, инфаркт, аритмии, внезапная смерть. Отмена β-блокатора у гипертоников ассоциирована примерно с четырёхкратным ростом риска коронарных событий, у больных с сердечной недостаточностью — с более высокой госпитальной летальностью.

Правила:

• отменять β-блокатор постепенно, особенно на последних ступенях снижения дозы;
• на период снижения ограничить физическую нагрузку;
• у больных, идущих на коронарное шунтирование, β-блокатор принимать в день операции;
• препараты с частичной агонистической активностью (пиндолол) могут вызывать меньший рикошет; для карведилола рост плотности рецепторов не показан.

Единого определения, частоты и доказанной стратегии профилактики рикошета нет: контролируемых данных мало. Подробно о группе — β-адреноблокаторы.

Другие примеры

• Резкая отмена блокаторов H₂-рецепторов (ранитидин, фамотидин) сопровождается «рикошетной» гиперсекрецией соляной кислоты.
• Поздняя дискинезия при длительной терапии нейролептиками связана с ап-регуляцией и гиперчувствительностью D₂-рецепторов в нигростриарной системе.

Толерантность к опиоидам

• Острая: киназы фосфорилируют μ-рецептор, β-аррестин десенситизирует его и запускает интернализацию; рецепторы восстанавливаются за минуты–часы.
• Хроническая: даун-регуляция, а также «суперактивация» аденилатциклазы с ростом цАМФ, активация NMDA-рецепторов и снижение захвата глутамата — это вызывает толерантность и опиоид-индуцированную гипералгезию.
• Толерантность к обезболиванию и эйфории развивается быстрее, чем к угнетению дыхания: при наращивании дозы риск гиповентиляции растёт.
• При отмене рикошетная активность цАМФ в голубом пятне вызывает симптомы абстиненции; клонидин эффективен, потому что α₂-рецепторы используют тот же путь Gi на тех же нейронах.
• Быстрее толерантность развивается при непрерывной инфузии и при применении ремифентанила, чем при прерывистом введении.

Алгоритм анализа действия препарата на рецептор

1. 1

   Определите мишень: ионный канал, GPCR, рецептор с киназной активностью или ядерный рецептор; от этого зависит скорость начала эффекта.

2. 2

   Для GPCR определите G-белок (Gs, Gi или Gq) и вторичный посредник (цАМФ, ИФ3 и ДАГ с Ca2+).

3. 3

   Определите роль препарата: полный, частичный или обратный агонист, конкурентный или неконкурентный антагонист, аллостерический модулятор.

4. 4

   Оцените ткань: рецепторный резерв, фоновая активность рецептора и преобладающий подтип рецептора в органе.

5. 5

   Найдите другие препараты, действующие на тот же посредник или путь: возможны усиление (сальбутамол и теофиллин, нитраты и ингибиторы ФДЭ-5, сочетание сартана с другими препаратами, снижающими Gq-путь) или антагонизм.

6. 6

   Оцените длительность лечения: при агонисте ожидайте десенситизацию, тахифилаксию и даун-регуляцию, при антагонисте — ап-регуляцию.

7. 7

   Заранее спланируйте отмену: β-блокаторы, клонидин, опиоиды и блокаторы H2-рецепторов отменяют постепенно, а не одномоментно.

8. 8

   При неожиданной потере эффекта оцените признаки привыкания (тахифилаксия или толерантность) и не повышайте дозу вслепую, если это тахифилаксия.

Типичные ошибки

1. Считать «агонистом» любой препарат, влияющий на рецептор. Антагонист не вызывает эффекта, но блокирует агониста.
2. Ожидать, что повышение дозы всегда восстановит эффект. Это верно для конкурентного блока и толерантности, но не для тахифилаксии и неконкурентного антагонизма.
3. Не различать скорость рецепторов. Ионотропные рецепторы дают ответ за миллисекунды, ядерные — за часы–дни; глюкокортикоид нельзя ждать как быстрый препарат.
4. Отменять β-блокаторы одномоментно. Ап-регуляция β-рецепторов ведёт к стенокардии, аритмиям и инфаркту; рикошет развивается через 2–6 дней.
5. Сочетать нитраты с ингибиторами ФДЭ-5. Оба повышают цГМФ, возможна тяжёлая гипотония.
6. Использовать сосудосуживающие капли в нос длительно. Тахифилаксия и медикаментозный ринит.
7. Повышать дозу опиоида при утрате эффекта, не оценивая риск дыхания. Толерантность к анальгезии развивается быстрее, чем к угнетению дыхания.
8. Забывать о рецепторном резерве. Малая доза необратимого антагониста может не снижать максимум эффекта, а большая — внезапно снизит.
9. Считать два препарата с одним посредником независимыми. Теофиллин и β₂-агонисты складывают влияние на цАМФ.
10. Ожидать от аллостерического модулятора эффекта в отсутствие эндогенного лиганда. Бензодиазепин усиливает действие ГАМК, но не заменяет её.