药理学(pharmacology)是研究药物的学科之一,是一门为临床合理用药防治疾病提供基本理论的医学基础学科。药理学研究药物与机体(包括病原体)相互作用的规律及其原理。药物(drug)是指用以防治及诊断疾病的物质,在理论上说,凡能影响机体器官生理功能及(或)细胞代谢活动的化学物质都属于药物范畴,也包括避孕药及保健药。药理学一方面研究在药物影响下机体细胞功能如何发生变化,另一方面研究药物本身在体内的过程,即机体如何对药物进行处理,前者称为药物效应动力学(pharmacodynamics),简称药效学;后者称为药物代谢动力学(pharmacokinetics),简称药动学。可见药理学研究的主要对象是机体,属于广义的生理科学范畴。它与主要研究药物本身的药学科学,如生药学、药物化学、药剂学、制药学等学科有明显的区别。药理学是以生理学、生化学、病理学等为基础,为指导临床各科合理用药提供理论基础的桥梁学科。药理学的学科任务是要为阐明药物作用机制、改善药物质量、提高药物疗效、开发新药、发现药物新用途并为探索细胞生理生化及病理过程提供实验资料。药理学的方法是实验性的,即在严格控制的条件下观察药物对机体或其组成部分的作用规律并分析其客观作用原理。近年来逐渐发展而设立的临床药理学是以临床病人为研究和服务对象的应用科学,其任务是将药理学基本理论转化为临床用药技术,即将药理效应转化为实际疗效,是基础药理学的后继部分。学习药理学的主要目的是要理解药物有什么作用、作用机制及如何充分发挥其临床疗效,要理论联系实际了解药物在发挥疗效过程中的因果关系。
二、药物与药理学的发展史远古时代人们为了生存从生活经验中得知某些天然物质可以治疗疾病与伤痛,这是药物的源始。这些实践经验有不少流传至今,例如饮酒止痛、大*导泻、楝实祛虫、柳皮退热等。以后在宗教迷信与邪恶斗争及封建君王寻求享乐与长寿中药物也有所发展。但更多的是将民间医药实践经验的累积和流传集成本草,这在我国及埃及、希腊、印度等均有记载,例如在公元一世纪前后我国的《神农本草经》及埃及的《埃伯斯医药籍》(Ebers’Papyrus)等。明朝李时珍的《本草纲目》()在药物发展史上有巨大贡献,是我国传统医学的经典著作,全书共52卷,约万字,收载药物种,插图帧,药方余条,是现今研究中药的必读书籍,在国际上有七种文字译本流传。在西欧文艺复兴时期(十四世纪开始)后,人们的思维开始摆脱宗教束缚,认为事各有因,只要客观观察都可以认识。瑞士医生Paracelsus(-)批判了古希腊医生Galen恶液质唯心学说,结束了医学史上余年的黑暗时代。后来英国解剖学家W.Harvey(-)发现了血液循环,开创了实验药理学新纪元。意大利生理学家F.Fontana(-)通过动物实验对千余种药物进行了*性测试,得出了天然药物都有其活性成分,选择作用于机体某个部位而引起典型反应的客观结论。这一结论以后为德国化学家F.W.Serturner(-)首先从罂粟中分离提纯吗啡所证实。18世纪后期英国工业革命开始,不仅促进了工业生产也带动了自然科学的发展。其中有机化学的发展为药理学提供了物质基础,从植物药中不断提纯其活性成分,得到纯度较高的药物,如依米丁、奎宁、士的宁、可卡因等。以后还开始了人工合成新药,如德国微生物学家P.Ehrlich从近千种有机砷化合物中筛选出治疗梅*有效的新胂凡纳明()。药理学作为独立的学科应从德国R.Buchheim(-)算起,他建立了第一个药理实验室,写出第一本药理教科书,也是世界上第一位药理学教授。其学生O.Schmiedeberg(-)继续发展了实验药理学,开始研究药物的作用部位,被称为器官药理学。受体原是英国生理学家J.N.Langley(-)提出的药物作用学说,现已被证实是许多特异性药物作用的关键机制此后药理学得到飞跃发展,第二次世界大战结束后出现了许多前所未有的药理新领域及新药,如抗生素、抗癌药、抗精神病药、抗高血压药、抗组胺药、抗肾上腺素药等。近年来药动学的发展使临床用药从单凭经验发展为科学计算,并促进了生物药学(biopharmaceutics)的发展。药效学方面逐渐向微观世界深入,阐明了许多药物作用的分子机制也促进了分子生物学本身的发展。展望今后,药理学将针对疾病的根本原因,发展病因特异性药物治疗,那时将能进一步收到药到病除的效果。
三、新药开发与研究人们生活水平提高要求更多更好的新药,药物科学的发展为新药开发提供了理论基础和技术条件,市场经济竞争也促进了新药快速发展。美国食品与药物管理局(FDA)近十年来每年批准上市的新药都在20种以上。我国近年来引进新药品种很多,但需要加快创新。新药开发是一个非常严格而复杂的过程,各药虽然不尽相同,药理研究却是必不可少的关键步骤。临床有效的药物都具有相应的药理效应,但具有肯定药理效应的药物却不一定都是临床有效的药物。例如抗高血压药都能降低血压,但降压药并不都是抗高血压药,更不一定是能减少并发症、延长寿命的好药。因此新药开发研究必需有一个逐步选择与淘汰的过程。为了确保药物对病人的疗效和安全,新药开发不仅需要可靠的科学实验结果,各国*府还对新药生产上市的审批与管理制定了法规,对人民健康及工商业经济权益予以法律保障。
新药来源包括天然产物、半合成及全合成化学物质。过去选药主要方法是依靠实践经验,现在可以根据有效药物的植物分类学找寻近亲品种进行筛选或从有效药物化学结构与药理活性关系推断,定向合成系列产品,然后进行药理筛选。近年来对于机体内在抗病物质(蛋白成分)利用DNA基因重组技术,即将DNA的特异基因区段分离并植入能够迅速生长的细菌或酵母细胞,以获得大量所需蛋白药物。此外,还可对现有药物进行化学结构改造(半合成)或改变剂型,也可获得疗效更好,*性更小或应用更方便的药物。
新药研究过程大致可分三步,即临床前研究、临床研究和售后调研。临床前研究包括用动物进行的系统药理研究及急慢性*性观察。对于具有选择性药理效应的药物,在进行临床试验前还需要测定该药物在动物体内的吸收、分布及消除消除过程。临床前研究是要弄清新药的作用谱及可能发生的*性反应。在经过药物管理部门的初步审批后才能进行临床试验。目的在于保证用药安全。
临床研究首先在10~30例正常成年志愿者观察新药耐受性,找出安全剂量。再选择有特异指征的病人按随机分组、设立已知有效药物及空白安慰剂双重对照(对急重病人不得采用有损病人健康的空白对照),并尽量采用双盲法(病人及医护人员均不能分辨治疗药品或对照药品)观察,然后进行治疗结果统计分析,客观地判断疗效。与其同时还需进行血药浓度监测计算药动学数据(详第三章)。受试病例数一般不应少于例,医院以后可扩大至三个以上医疗单位进行多中心合作研究。对那些需要长期用药的新药,应有50~例病人累积用药半年至一年的观察记录。由此制定适应证、禁忌证、剂量疗程及说明可能发生的不良反应后,再经过药*部门的审批才能生产上市。
售后调研(postmarketingsurveillance)是指新药问市后进行的社会性考查与评价,在广泛的推广应用中重点了解长期使用后出现的不良反应和远期疗效(包括无效病例)。药物只能依靠广大用药者(医生及病人)才能作出正确的历史性评价。
第二章 药物效应动力学第一节 药物的基本作用一、药物作用与药理效应药物作用(drugaction)是指药物与机体细胞间的初始作用,是动因,是分子反应机制,有其特异性(specificity)。药理效应(pharmacologicaleffect)是药物作用的结果,是机体反应的表现,对不同脏器有其选择性(selectivity)。因此,药理效应实际上是机体器官原有功能水平的改变,功能的提高称为兴奋(excitation)、亢进(augmentation),功能的降低称为抑制(inhibition)、麻痹(paralysis)。过度兴奋转入衰竭(failure),是另外一种性质的抑制。近年来生命科学的迅速发展,能引起细胞形态与功能发生质变的药物受到注意,例如某些物质可以引起细胞癌变,基因疗法能使机体引出遗传缺陷时或原来没有的特殊功能。药物作用特异性强的药物不一定引起选择性高的药理效应,二者不一定平行。例如阿托品特异性阻断M-胆碱受体,但药理效应选择性并不高,对心脏、血管、平滑肌、腺体及中枢神经功能都有影响,而且有的兴奋、有的抑制。作用特异性强及(或)效应选择性高的药物应用时针对性较好。反之,效应广泛的药物副反应较多。但广谱药物在多种病因或诊断未明时也有其方便之处,例如广谱抗生素、广谱抗心律失常药等。
药理效应与治疗效果,后者简称疗效(therapeuticeffect)并非同义词,例如具有扩张冠脉效应的药物不一定都是抗冠心病药,抗冠心病药也不一定都会取得缓解心绞痛临床疗效,有时还会产生不良反应(adversereaction),这就是药物效应的两重性:药物既能治病也能致病。
二、治疗效果1.对因治疗(etiologicaltreatment)用药目的在于消除原发致病因子,彻底治愈疾病称为对因治疗,或称治本,例如抗生素消除体内致病菌。
2.对症治疗(symptomatictreatment)用药目的在于改善症状称为对症治疗,或称治标。对症治疗未能根除病因,但在诊断未明或病因未明暂时无法根治的疾病却是必不可少的。在某些重危急症如休克、惊厥、心力衰竭、高热、剧痛时,对症治疗可能比对因治疗更为迫切。
三、不良反应凡不符合用药目的并为病人带来不适或痛苦的反应统称为药物不良反应。多数不良反应是药物固有效应的延伸,在一般情况下是可以以预知的,但不一定是可以避免的。少数较严重的不良反应是较难恢复的,称为药原性疾病(druginduceddisease),例如庆大霉素引起神经性耳聋,肼屈嗪引起红斑性狼疮等。
1.副反应(sidereaction)由于药理效应选择性低,涉及多个效应器官,当某一效应用作治疗目的时,其他效应就成为副反应(通常也称副作用)。例如阿托品用于解除胃肠痉挛时,将会引起口干、心悸、便秘等副反应。副反应是在常用剂量下发生的,一般不太严重,但是难以避免的。
2.*性反应(toxicreaction)*性反应是指在剂量过大或蓄积过多时发生的危害性反应,一般比较严重,但是可以预知也是应该避免发生的不良反应。急性*性多损害循环、呼吸及神经系统功能,慢性*性多损害肝、肾、骨髓、内分泌等功能。致癌(carcinogenesis)、致畸胎(teratogenesis)、致突变(mutagenesis)三致反应也属于慢性*性范畴。企图增加剂量或延长疗程以达到治疗目的是有限度的,过量用药是十分危险的。
3.后遗效应(residualeffect)后遗效应是指停药后血药浓度已降至阈浓度以下时残存的药理效应。例如长期应用肾上腺皮质激素停药后肾上腺皮质功能低下数月内难以恢复。
4.停药反应(withdrawalreaction)突然停药后原有疾病的加剧,又称回跃反应(reboundreaction),例如长期服用可乐定降血压,停药次日血压将激烈回升。
5.变态反应(allergicreaction)变态反应是一类免疫反应。非肽类药物作为半抗原与机体蛋白结合为抗原后,经过接触10天左右敏感化过程而发生的反应,也称过敏反应(hypersensitivereaction)。常见于过敏体质病人。临床表现各药不同,各人也不同。反应性质与药物原有效应无关,用药理拮抗药解救无效。反应严重度差异很大,与剂量也无关,从轻微的皮疹、发热至造系统抑制,肝肾功能损害、休克等。可能只有一种症状,也可能多种症状同时出现。停药后反应逐渐消失,再用时可能再发。致敏物质可能是药物本身,可能是其代谢物,也可能是药剂中杂质。临床用药前常做皮肤过敏试验,但仍有少数假阳性或假阴性反应。可见这是一类非常复杂的药物反应。
6.特异质反应(idiosyncrasy)少数特异体质病人对某些药物反应特别敏感,反应性质也可能与常人不同,但与药物固有药理作用基本一致,反应严重度与剂量成比例,药理拮抗药救治可能有效。这种反应是免疫反应,故不需预先敏化过程。现在知道这是一类药理遗传异常所致的反应,例如对骨骼肌松弛药司可林特异质反应是由于先天性血浆胆碱酯酶缺乏。
第二节 药物剂量与效应关系药理效应与剂量在一定范围内成比例,这就是剂量-效应关系(dose-effectrela-tion-ship)。由于药理效应与血药浓度的关系较为密切,故在药理学研究中更常用浓度-效应关系(concentration-effectrelationship)。用效应强弱为纵座标、药物浓度为横座标作图得直方双曲线(rectangularhyperbola)。如将药物浓度改用对数值作图则呈典型的对称S型曲线,这就是通常所讲的量效曲线(图2-1)。药理效应强弱有的是连续增减的量变,称为量反应(gradedresponse),例如血压的升降、平滑肌舒缩等,用具体数量或最大反应的百分率表示。有些药理效应只能用全或无,阳性或阴性表示称为质反应(all-or-noneresponse或quantalresponse),如死亡与生存、抽搐与不抽搐等,必需用多个动物或多个实验标本以阳性率表示。用累加阳性率对数剂量(或浓度)作图也呈典型对称S型量效曲线(图2-2)。
从上述两种量效曲线可以看出下列几个特定位点:最小有效浓度(minimumeffectiveconcentration),即刚能引起效应的阈浓度(thresholdconcentration)。如果横座标用剂量表示,将“浓度”改为“剂量”即可,下同。半数有效量(medianeffectivedose)是能引起50%阳性反应(质反应)或50%最大效应(量反应)的浓度或剂量,分别用半数有效浓度(EC50)及半数有效剂量(ED50)表示。如果效应指标为中*或死亡则可改用半数中*浓度(TC50)、半数中*剂量(TD50)或半数致死浓度(LC50)、半数致死剂量(LD50)表示。继续增加浓度或剂量而效应量不再继续上升时,这在量反应中称为最大效能(maximumefficacy),反映药物的内在活性。在质反应中阳性反应率达%,再增加药量也不过如此。如果反应指标是死亡则此时的剂量称为最小致死量(minimumlethaldose)。药物效应强度(potency)是指能引起等效反应(一般采用50%效应量)的相对浓度或剂量,反映药物与受体的亲和力,其值越小则强度越大。药物的最大效能与效应强度含意完全不同,二者并不平行。例如利尿药以每日排钠量为效应指标进行比较氢氯噻嗪的效应强度大于呋塞米,而后者的最大效能大于前者(图2-3)。药物的最大效能值有较大实际意义,不区分最大效能与效应强度只讲某药较另药强若干倍是易被误解的。量效曲线中段斜率(slope)较陡的提示药效较激烈,较平坦的提示药效较温和。但在质反应曲线,斜率较陡的曲线还提示实验个体差异较小。曲线上的每个具体数据常用标准差(standarddeviation)表示个体差异(individualvariation)。
图2-1 药物作用的量效关系曲线
图2-2 质反应的频数分布曲线和累加量效曲线
频数分布曲线:个人的有限剂量分布情况
(常态分布);累加量效曲线:频数分布曲线中每个长方形的累加曲线
图2-3 各种利尿药的作用强度及最大效能比较
TD50/ED50或TC50/EC50的比值称为治疗指数(therapeuticindex),是药物的安全性指标。治疗指数为4的药物相对较治疗指数为2的药物安全。由于TD与ED两条量曲线的首尾可能重叠,即ED95可能大于TD5,就是说在没能获得充分疗效的剂量时可能已有少数病人中*,因此不能认为治疗指数为4的药物是安全的。还由于该指标所指的药物效应及*性反应性质不明确,这一安全指标并不可靠。在动物实验常用LD50/ED50作为治疗指数,性质相似。较好的药物安全性指标是ED95~TD5之间的距离,称为安全范围(marginofsafety),其值越大越安全。药物的安全性与药物剂量(或浓度)有关,因此如果将ED与TD两条量效曲线同时画出并加以比较则比较具体(图2-4)。
图2-4 药物的安全性指标:治疗指数及安全范围
A药的治疗指数比B药大A药与C药的治疗指数相等,但A药的安全范围较大C药的治疗指数比B药大,而安全范围无区别
○有效量的量效关系△中*量的量效关系
●有效百分数减中*百分数
关于药物剂量各国药典都制定了常用剂量范围,非药典药药厂在说明书上也有介绍。药典对于剧*类药品还规定了极量(包括单剂量、一日量及疗程量),超限用药造成不良后果医生应负法律责任。
第三节 药物作用机制药物效应多种多样,是不同药物分子与机体不同靶细胞间相互作用的结果。药物作用的性质首先取决于药物的化学结构,包括基本骨架、活性基团、侧链长短及立体构形等因素。这些构效关系(structure-activityrelationship)是药物化学研究的主要问题,但它有助于加强医生对药物作用的理解。药理效应是机体细胞原有功能水平的改变,从药理学角度来说,药物作用机制(mechanismofaction)要从细胞功能方面去探索。
1.理化反应 抗酸药中和胃酸以治疗溃疡病,甘露醇在肾小管内提升渗透压而利尿等是分别通过简单的化学反应及物理作用而产生的药理效应。
2.参与或干扰细胞代谢 补充生命代谢物质以治疗相应缺乏症的药例很多,如铁盐补血、胰岛素治糖尿病等。有些药物化学结构与正常代谢物非常相似,掺入代谢过程却往往不能引起正常代谢的生理效果,实际上导致抑制或阻断代谢的后果,称为伪品掺入(counterfeitincorporation)也称抗代谢药(antimetabolite)。例如5-氟尿嘧啶结构与尿嘧啶相似,掺入癌细胞DNA及RNA中干扰蛋白合成而发挥抗癌作用。
3.影响生理物质转运 很多无机离子、代谢物、神经递质、激素在体内主动转运需要载体参与。干扰这一环节可以产生明显药理效应。例如利尿药抑制肾小管Na+-K+、Na+-H+交换而发挥排钠利尿作用。
4.对酶的影响 酶的品种很多,在体内分布极广,参与所有细胞生命活动,而且极易受各种因素的影响,是药物作用的一类主要对象。多数药物能抑制酶的活性,如新斯的明竞争性抑制胆碱酯酶,奥美拉唑不可逆性抑制胃粘膜H+-K+ATP酶(抑制胃酸分泌)。尿激酶激活血浆溶纤酶原,苯巴比妥诱导肝微粒体酶,解磷定能使遭受有机磷酸酯抑制的胆碱酯酶复活,而有些药本身就是酶,如胃蛋白酶。
5.作用于细胞膜的离子通道 细胞膜上无机离子通道控制Na+、Ca2+、K+、Cl-等离子跨膜转运,药物可以直接对其作用,而影响细胞功能。
6.影响核酸代谢 核酸(DNA及RNA)是控制蛋白质合成及细胞分裂的生命物质。许多抗癌药是通过干扰癌细胞DNA或RNA代谢过程而发挥疗效的。许多抗生素(包括喹诺酮类)也是作用于细菌核酸代谢而发挥抑菌或杀菌效应的,这将在有关章节详述。
7.影响免疫机制 除免疫血清及疫苗外,免疫增强药(如左旋咪唑)及免疫抑制药(如环孢霉素)通过影响免疫机制发挥疗效。某些免疫成份也可直接入药。第50章将有专题介绍。
8.非特异性作用 一些药
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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(secondmessenger)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
(KD是解离常数)
因为[RT]=[R]+[LR](RT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]KD时,[LR]/[RT]=%,达最大效能,即[LR]max=[RT]。
当[LR]/[RT]=50%时,即EC50时,KD=[L]。
KD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,KD越大时亲和力越小,二者成反比。令pD2=-logKD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(intrinsicactivity),后者用α表示,0≤α≤%。故上述公式应加入这一参数:E/Emax=α[LR]/[RT]。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]/[RT]=[L]/KD+[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]=KD/[L][RT]+1/[RT]。以1/[LR]为纵座标、1/[L]为横座标作图得直线(图2-7),斜率为KD[RT],即KD/Emax,与纵座标交点为1/[RT],即1/Emax,与横座标交点为-1/KD。
2.Scatchard图推导得公式[LR]/[L]=[RT]/KD-[LR]/KD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/[KD],与纵座标交点为[RT]/KD,与横座标交点为[RT]。
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(Emax)不等
B图a,b,c三药与受体的亲和力(pD2)不等,但内在活性(Emax)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(Emax),剩余下未结合的受体为储备受体(sparereceptor)。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%。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(