Rezeptoren können auf der Zelloberflächenmembran oder innerhalb des Zytoplasmas lokalisiert sein (siehe Tabelle Einige Arten von physiologischen und Arzneimittel-Rezeptor-Proteinen). Es sind Makromoleküle, die in das chemische Signalübertragungswesen zwischen und innerhalb der Zellen involviert sind. Aktivierte Rezeptoren regulieren direkt oder indirekt zelluläre biochemische Prozesse (z. B. Ionenleitfähigkeit, Phosphorylierung von Proteinen, DNA-Transkription, enzymatische Aktivität).
Moleküle (z. B. Arzneimittel, Hormone, Neurotransmitter), die an Rezeptoren binden, werden Liganden genannt. Die Bindung kann spezifisch und reversibel oder irreversibel sein. Ein Ligand kann einen Rezeptor aktivieren oder inaktivieren. Eine Aktivierung kann eine bestimmte Zellfunktion erhöhen oder vermindern. Jeder Ligand kann mit mehreren Subtypen des Rezeptors in Wechselwirkung treten. Wenn überhaupt, gibt es nur wenige Arzneimittel, die absolut spezifisch für einen Rezeptor oder Subtyp sind, die meisten sind aber relativ selektiv. Selektivität bezieht sich weitgehend auf die physikochemische Bindung eines Arzneimittels an zelluläre Rezeptoren. Selektivität ist das Ausmaß, in dem ein Arzneimittel an einer vorgegebenen Stelle relativ zu anderen Stellen einwirkt. (Siehe auch Übersicht zur Pharmakodynamik.)
Die Fähigkeit eines Arzneimittels, einen bestimmten Rezeptor zu beeinflussen, hängt von der Affinität des Arzneimittels (Wahrscheinlichkeit, dass das Arzneimittel zu jedem beliebigen Zeitpunkt einen Rezeptor besetzt) und der intrinsischen Wirksamkeit ab (intrinsische Wirksamkeit – Ausmaß, in dem ein Ligand einen Rezeptor aktiviert und zu einer zellulären Reaktion führt). Affinität und Aktivität eines Arzneimittels werden durch seine chemische Struktur bestimmt.
Die pharmakologische Wirkung wird auch durch die Dauer des bestehenden Pharmakon-Rezeptor-Komplexes bestimmt ("residence time"). Die Lebensdauer des Pharmakon-Rezeptor-Komplexes wird durch dynamische Prozesse (Konformationsänderungen) beeinflusst, die die Rate der Arzneimittelbindung und die Dissoziation von der Zielsubstanz kontrollieren. Eine längere "residence time" erklärt eine verlängerte pharmakologische Wirkung. Zu den Arzneimitteln mit langer "residence time" gehören Finasterid und Darunavir. Eine längere "residence time" kann potenziell nachteilig sein, wenn sie die Toxizität eines Arzneimittels verlängert. Bei manchen Rezeptoren führt eine vorübergehende Arzneimittelnutzung zum gewünschten pharmakologischen Effekt, während eine längere Anwendung toxisch ist.
Physiologische Funktionen (z. B. Kontraktion, Sekretion) werden gewöhnlich durch eine Vielzahl von Rezeptor-vermittelten Mechanismen reguliert, und es können mehrere Schritte (z. B. Rezeptor-Kopplung, mehrere intrazelluläre sekundäre Botenstoffe [second messenger]) zwischen die anfängliche Arzneimittel-Rezeptor-Wechselwirkung und die letztendliche Gewebe- oder Organantwort geschaltet sein. Daher können häufig mehrere verschiedene Arzneimittelmoleküle verwendet werden, um dieselbe gewünschte Reaktion hervorzurufen.
Die Fähigkeit, an einen Rezeptor zu binden, wird sowohl durch externe Faktoren als auch durch intrazelluläre Regulationsmechanismen beeinflusst. Die Basisdichte der Rezeptoren und die Wirksamkeit der Stimulus-Reaktions-Mechanismen variieren von Gewebe zu Gewebe. Arzneimittel, Älterwerden, genetische Mutationen und Erkrankungen können die Zahl und Bindungsaffinität der Rezeptoren erhöhen (Up-Regulation) oder vermindern (Down-Regulation). Beispielsweise kann Clonidin Alpha 2-Rezeptoren down-regulieren. Daher kann das rasche Absetzen von Clonidin hypertensive Krisen hervorrufen. Eine Dauertherapie mit Betablockern erhöht die Dichte der Betarezeptoren. Daher kann ein abruptes Absetzen zu schwerem Bluthochdruck oder Tachykardie führen. Die Up- und Down-Regulation von Rezeptoren beeinflusst die Anpassung an Arzneimittel (z. B. Desensibilisierung, Tachyphylaxie, Toleranz, erworbene Resistenz, Hypersensibilität nach Absetzen).
Liganden binden an bestimmte molekulare Regionen des Rezeptormakromoleküls, so genannte Erkennungsstellen. Die Bindungsstelle für das Arzneimittel kann die gleiche oder eine andere als die für den endogenen Agonisten sein (Hormon oder Neurotransmitter). Agonisten, die an angrenzende oder andere Stellen eines Rezeptors binden, werden auch allosterische Agonisten genannt. Eine unspezifische Arzneimittelbindung, d. h. an Molekülstellen die nicht als Rezeptoren vorgesehen sind (z. B. Plasmaproteine), kann ebenfalls stattfinden. Durch Bindung an solche unspezifischen Stellen, wie die Bindung an Serumproteine, wird das Arzneimittel inaktiviert, weil dadurch die Bindung des Arzneimittels an den Rezeptor unterbunden wird. Ungebundene Arzneimittel stehen für eine Bindung an Rezeptoren zur Verfügung und haben so eine Wirkung.
Agonisten und Antagonisten
Agonisten aktivieren Rezeptoren, um das gewünschte Signal zu produzieren. Konventionelle Agonisten erhöhen den Anteil der aktivierten Rezeptoren. Inverse Agonisten stabilisieren den Rezeptor in seiner inaktiven Konformation und wirken gleichartig auf konkurrierende Antagonisten. Zahlreiche Hormone, Neurotransmitter (z. B. Acetylcholin, Histamin, Noradrenalin) und Arzneimittel (z. B. Morphin, Phenylephrin, Isoproterenol, Benzodiazepine, Barbiturate) wirken als Agonisten.
Antagonisten beugen einer Rezeptoraktivierung vor. Die Verhinderung der Aktivierung hat bestimmte Auswirkungen. Antagonisten erhöhen die zelluläre Funktion, wenn sie Wirkungen einer Substanz blockieren, die normalerweise die zelluläre Funktion vermindert. Antagonisten vermindern die zelluläre Funktion, wenn sie Wirkungen von Stoffen blockieren, die normalerweise die zelluläre Funktion erhöhen.
Rezeptorantagonisten können als reversibel und irreversibel klassifiziert werden. Reversible Antagonisten dissoziieren leicht von ihren Rezeptoren, irreversible Antagonisten bilden eine stabile, dauerhafte oder nahezu dauerhafte chemische Verbindung mit ihrem Rezeptor (z. B. bei Alkylierung). Pseudoirreversible Antagonisten dissoziieren langsam von ihrem Rezeptor.
Bei einem kompetitiven Antagonismus verhindert die Bindung eines Antagonisten an den Rezeptor die Bindung des Agonisten an den Rezeptor.
Beim nichtkompetitiven Antagonismus können gleichzeitig Agonist und Antagonist gebunden werden, aber die Bindung des Antagonisten vermindert oder verhindert die Wirkung des Agonisten.
Beim reversiblen kompetitiven Antagonismus bilden Agonist und Antagonist kurzzeitige Bindungen mit dem Rezeptor, und es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Agonist, Antagonist und Rezeptor ein. Ein derartiger Antagonismus kann durch eine Konzentrationserhöhung des Agonisten überwunden werden. Wenn beispielsweise Naloxon (ein Opioidrezeptorantagonist, der strukturell Morphin sehr ähnlich ist) kurz vor Morphin gegeben wird, blockiert es die Wirkung von Morphin. Der kompetitive Antagonismus durch Naloxon kann jedoch überwunden werden, wenn mehr Morphin gegeben wird.
Strukturanaloga von Agonisten haben häufig die Eigenschaften von Agonisten und Antagonisten. Solche Arzneimittel werden partielle Agonisten (schwach wirksame Agonisten) oder Agonist-Antagonisten genannt. Beispielsweise aktiviert Pentazocin Opioidrezeptoren, blockiert aber auch deren Aktivierung durch andere Opioide. Daher führt Pentazocin zu opioiden Wirkungen, macht aber die Wirkung anderer Opioide zunichte, wenn diese gegeben werden, solange Pentazocin noch gebunden ist. Ein Arzneimittel, das in einem Gewebe als partieller Agonist wirkt, kann in einem anderen als vollständiger Agonist wirken.