Wie alle Xanthinderivate ist Theophyllin ein Hemmstoff der Phosphodiesterase und hemmt somit den Stoffwechsel von zyklischem AMP.
Theophyllin ist auch ein kompetitiver Inhibitor der Wirkung von Adenosin auf A1- und A2-Rezeptoren. Die Rolle der letzteren für die therapeutische Wirkung des Medikaments ist unbekannt.
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