Comme tous les dérivés de la xanthine, la théophylline est un inhibiteur de la phosphodiestérase et inhibe donc le métabolisme de l'AMP cyclique.
La théophylline est également un inhibiteur compétitif de l'action de l'adénosine sur les récepteurs A1 et A2. Le rôle de ces derniers dans l'action thérapeutique du médicament est inconnu.
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