W 2012 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii otrzymali Brian K. Kobilka i Robert J. Lefkowitz. Autorzy ci od lat 70. XX w. pracowali nad izolacją, krystalizacją i badaniem struktury receptorów β-adrenergicznych. Nagroda została przyznana za całokształt prac obydwu naukowców, które pozwoliły zrozumieć, w jaki sposób funkcjonują i jak są zbudowane receptory sprzężone z białkiem G (ang. G-protein coupled receptor – GPCR), w tym β-AR. Receptory GPCR są dużą rodziną receptorów błonowych, które: mają podobną strukturę, odbierają sygnały chemiczne z otoczenia komórek niesione przez hormony, neurotransmitery, neuropeptydy, substancje parakrynne, substancje odżywcze, zapachy, smaki oraz pośredniczą w przekazywaniu tych sygnałów do wnętrza komórki za pośrednictwem wewnątrzkomórkowego efektora, jakim jest białko G (1, 2).

W sercu obecne są receptory adrenergiczne β₁, β₂ i β₃ (β-AR) różniące się powinowactwem do agonistów, komórkowymi szlakami sygnalizacyjnymi i funkcją biologiczną. Stosunek gęstości β₁-AR do β₂-AR na powierzchni kardiomiocytów wynosi 3:1. W natychmiastowej regulacji układu krążenia (minuty), której istota polega między innymi na zmianie czynności serca, udział biorą głównie β₁-AR poprzez aktywację szlaku kinazy białkowej A. Wynika to z ilościowej przewagi β₁-AR nad β₂-AR oraz faktu, że β₁-AR mają większe powinowactwo do agonistów niż pozostałe β-AR. Wypadkowym efektem krótkotrwałej stymulacji współczulnej serca są: wzrost siły skurczu miokardium, przyspieszenie rozkurczu, przyspieszenie częstości rytmu zatokowego i zwiększenie szybkości przewodzenia w węźle AV. Aktywacja β₂-AR i β₃-AR służy głównie jako mechanizm ograniczający skutki nadmiernej aktywacji β₁-AR, poprzez desensytyzację i tzw. down-regulację β₁-AR. Przedłużająca się aktywacja współczulna skutkuje aktywacją dodatkowych ścieżek sygnalizacyjnych prowadzących do przerostu mięśnia sercowego. W przypadku regularnego treningu sportowego aktywowane są szlaki skutkujące blokowaniem apoptozy i tzw. przerostem fizjologicznym (poprzez aktywację β₂-AR i szlaki „pro-life”), a w przypadku niewydolności krążenia (NS) dodatkowo szlaki skutkujące przyspieszoną apoptozą i tzw. przerostem patologicznym (poprzez aktywację β₁-AR i szlaki „pro-death”). W NS ekspresja i aktywność β₁-AR w sercu są obniżone, co z jednej strony chroni je przed nadmierną stymulacją współczulną, a z drugiej – ogranicza możliwość wzrostu rzutu minutowego serca podczas wysiłku i w różnych sytuacjach stresowych.

W ludzkim organizmie wykryto kilkaset receptorów GPCR. Białka te są zbudowane z pojedynczego łańcucha polipeptydowego o pofałdowanej strukturze, który siedmiokrotnie przenika błonę komórkową, tworząc w jej rdzeniu domenę hydrofobową oraz pozabłonowe domeny: zewnątrz- i wewnątrzkomórkową. Domena wewnątrzbłonowa zbudowana jest z α-helis (oznaczonych symbolami TM1-TM7, licząc od N-końca), których wzajemne ułożenie tworzy okrągły lub lejkowaty kształt. Helisy połączone są ze sobą pętlami wystającymi ponad błonę – do cytozolu i na zewnątrz komórki. Domena wewnątrzkomórkowa receptora tworzona jest przez pętle ICL1-ICL3 (ang. intracellular loop) eksponowane do wnętrza komórki oraz C-koniec łańcucha polipeptydowego. Pętla ICL3, łącząca helisy błonowe TM5 z TM6, wspólnie z pętlą ICL2 oraz fragmentem C-końca tworzy miejsce wiązania i aktywacji białka G. Domena zewnątrzkomórkowa tworzona jest przez pętle ECL1-ECL3 znajdujące się poza cytozolem (ang. extracellular loop) oraz przez N-koniec białka. W części zewnątrzkomórkowej receptora zachodzi wiązanie ligandów. Wejście dla nich znajduje się pomiędzy pętlą ECL3 a połączonymi pętlami ECL1 i ECL2 (które tworzą przykrywkę nad miejscem wiązania ligandu). Budowa domeny zewnątrzkomórkowej może różnić się w szczegółach pomiędzy różnymi receptorami, jednak ogólny schemat jest wspólny (1, 3-5).

Części wewnątrz- i zewnątrzkomórkowa receptora mogą ulegać modyfikacjom potranslacyjnym. W części zewnątrzkomórkowej mogą powstawać mostki siarczkowe stabilizujące strukturę przestrzenną receptora. W β-AR mostki spinające pętlę ECL3 otwierają większy dostęp ligandów do kieszeni receptora. Część wewnątrzkomórkowa może ulegać glikozylacji, mirystylacji i palmitynizacji lub może przyłączać cząsteczki cholesterolu. Modyfikacje te mają znaczenie w kierowaniu receptora do miejsc w błonie komórkowej bogatej w kaweole lub tratwy lipidowe. Dodatkowo, okolice C-końca bogate w serynę i treoninę mogą być fosforyzowane przez odpowiednie kinazy, co skutkuje inaktywacją receptora (vide poniżej) (4).

Po przyłączeniu się liganda do receptora następuje zmiana konformacyjna całego receptora. Polega to na takiej zmianie ułożenia przestrzennego helis transbłonowych, że możliwe staje się związanie białka G z wewnętrzną domeną receptora. Następuje aktywacja białka G, która skutkuje zmianą aktywności wewnątrzkomórkowego białka efektorowego (najczęściej kinazy białkowej lub kanału jonowego) i zmiana komórkowego poziomu substancji pełniącej funkcję przekaźnika informacji drugiego rzędu (np. cAMP). Jednorazowa aktywacja receptora skutkuje aktywacją wielu kopii białka G, co powoduje wzmocnienie sygnału. Transmisję sygnału blokuje fosforylacja receptora przez odpowiednie kinazy (vide poniżej) (3, 4, 6, 7).

Białko G jest heterotrimerem i składa się z podjednostek α, β i γ (istnieją także białka G₀ o budowie monomerycznej). Podjednostka α wiąże nukleotyd guanylowy (GTP) i ma aktywność GTP-azy. Natomiast β i γ tworzą niepodzielny kompleks, który łączy się z nieaktywną podjednostką α. Zaktywowane białko G zmienia konformację i cząsteczka GDP związana z podjednostką α jest wymieniana na GTP z cytozolu, co umożliwia odłączenie podjednostki α od kompleksu βγ. Białko G podzielone na komponenty α i βγ przekazuje sygnał na białko efektorowe (np. cyklazę adenylową), czemu towarzyszy hydroliza GTP do GDP i nieaktywna podjednostka α odnawia wiązanie z kompleksem βγ (5, 7-9).

Istnieje kilka izoform białka G (G_s, G_i, G_t, G_q(p), G₀) różniących się białkiem efektorowym, z którym wchodzą w interakcję. Białko G_s aktywuje cyklazę adenylową, która produkuje cAMP (7-10). G_i hamuje cyklazę adenylową i zmniejsza produkcję cAMP (7-10). G_q(p) aktywuje fosfolipazę C, której produktami są diacyloglicerol (DAG) i trifosforan inozytolu (IP₃). G_t aktywuje fosfodiesterazę, a białko G₀ hamuje kanały wapniowe (7, 9).

Obok podjednostki α także kompleks βγ ma działanie sygnalizacyjne. Aktywuje mianowicie kinazę receptorów GPCR (GRK), która fosforylując białko receptorowe, skutkuje zahamowaniem aktywności receptora, co jest mechanizmem zabezpieczającym przed nadmierną aktywacją receptora (vide poniżej) (7, 11). Kompleks βγ bierze również udział w receptorowej aktywacji kanałów wapniowych i niektórych potasowych (7-9).

Receptory GPCR są często przedstawiane w ujęciu bimodalnym. Zakłada ono, że receptor może występować tylko w jednym z dwóch stanów – może być w stanie aktywnym, w którym miejsce wiązania białka G jest odsłonięte, albo w stanie nieaktywnym, w którym miejsce wiązania białka G jest zakryte. Wbrew tej koncepcji, niektóre receptory GPCR, w tym β-AR, wykazują pewną podstawową aktywność nawet pod nieobecność agonisty. Okazuje się ponadto, że podstawowa aktywność receptorów może być regulowana przez ligandy. W tym kontekście wyróżnia się: a) pełnych agonistów – czyli ligandy skutkujące maksymalną aktywacją receptora, b) częściowych agonistów – czyli ligandy, które nawet w stężeniach wysycających receptor skutkują jedynie submaksymalną aktywację białka G oraz c) odwrotnych agonistów – czyli ligandy, które hamują podstawową aktywność receptora. Natomiast antagoniści nie modyfikują aktywności samego receptora, a jedynie kompetencyjnie blokują wiązanie z nim innych ligandów (2, 4, 12). Interakcja liganda z receptorem może odbywać się na dwa sposoby. Agonista może skutkować zmianą konformacji receptora poprzez proste zakłócenie oddziaływań istniejących wewnątrz jego cząsteczki i kreując zestaw oddziaływań stabilizujących nowy stan konformacyjny lub też może służyć jako mostek, który bierze udział w powstawaniu nowych interakcji pomiędzy domenami transbłonowymi i stabilizuje bardziej aktywną konformację receptora (2, 12).

W sercu obecne są receptory adrenergiczne β₁, β₂ i β₃ (β-AR). Agonistami β-AR w sercu są mediatory układu współczulnego: noradrenalina – uwalniana z zakończeń nerwowych sercowych włókien współczulnych, oraz adrenalina – uwalniana z rdzenia nadnerczy. W zdrowym sercu stosunek gęstości β₁-AR do β₂-AR wynosi 70-80%/20-30%. Dodatkowo, największe powinowactwo do agonistów mają β₁-AR, a najmniejsze β₃-AR (około 100 razy mniejsze). Razem wziąwszy, oznacza to, że przy umiarkowanym poziomie aktywacji współczulnej pobudzeniu ulegają głównie β₁-AR i że dwa pozostałe β-AR włączają się dopiero w stanach znacznie zwiększonej aktywacji współczulnej.

Receptory β-adrenergiczne są (ryc. 1):

1. Sprzężone z białkiem G_s (heterotrimer α_sβγ) i/lub białkiem G_i (heterotrimer α_iβγ); podjednostka α_s aktywuje cyklazę adenylową i produkcję cAMP, a podjednostka α_i enzym ten hamuje.

2. Białkiem efektorowym szlaku β-AR w sercu są: a) enzym cyklaza adenylowa, który przekształca ATP w cykliczny adenozyno-mono-fosforan (cAMP) oraz b) kanał wapniowy typu L.

3. Drugorzędowymi przekaźnikami w ścieżce sygnalizacyjnej β-AR w sercu są cAMP oraz jony Ca²⁺.

4. Kinazami aktywowanymi przez ścieżkę β-AR są: a) kinaza białkowa A (PKA) aktywowana przez cAMP; PKA przenosi resztę fosforanową z ATP na serynę, treoninę lub tyrozynę różnych białek i w ten sposób zmienia ich właściwości, w tym właściwości białek zaangażowanych w skurcz bądź rozkurcz kardiomiocytów, częstość pobudzeń wytwarzanych w węźle zatokowo-przedsionkowym, szybkość przewodzenia w łączu AV oraz metabolizm komórki (ryc. 2) oraz b) kinaza aktywowana przez kompleks Ca²⁺-kalmodulina (CaMKII). Kinaza ta fosforyluje niektóre białka komórkowego obiegu jonów Ca²⁺ i w ten sposób uczestniczy w natychmiastowej regulacji pracy serca. Aktywuje także proprzerostowy szlak kalcyneuryny (ryc. 3).