I secondi messaggeri sono piccole molecole e ioni che trasmettono i segnali ricevuti dai recettori della superficie cellulare alle proteine effettrici. Si tratta di una molecola interna alle cellule che agisce per trasmettere segnali da un recettore a un bersaglio.
Il termine "secondo messaggero" è stato coniato quando sono state scoperte queste sostanze per distinguerle dagli ormoni e da altre molecole che funzionano all’esterno della cellula come "primi messaggeri" nella trasmissione delle informazioni biologiche.
Il sistema di messaggeri secondari è un metodo di segnalazione cellulare in cui la molecola di segnalazione non entra nella cellula ma utilizza una cascata di eventi che trasformano il segnale in un cambiamento cellulare. I sistemi di messaggeri secondari utilizzano recettori sulla superficie della membrana plasmatica, che di solito sono accoppiati a una chinasi sulla superficie interna della membrana.
Sono state caratterizzate numerose molecole di secondi messaggeri, tra cui nucleotidi ciclici (ad esempio adenosina monofosfato ciclico, o cAMP, e guanosina monofosfato ciclico, o cGMP), ioni (ad esempio Ca2+), molecole derivate da fosfolipidi (ad esempio inositolo trifosfato) e persino un gas, l’ossido nitrico (NO).
Molte molecole di secondo messaggero sono piccole e quindi si diffondono rapidamente nel citoplasma, permettendo alle informazioni di muoversi rapidamente attraverso la cellula. Ma oltre al loro ruolo di molecole di collegamento, i secondi messaggeri servono ad amplificare notevolmente la forza del segnale.
Leggi anche: Cucina Botanica Vegana
In senso stretto la locuzione 'secondo messaggero' si applica a piccole molecole organiche (ma anche ioni inorganici) che in moltissimi tipi cellulari si formano (o si liberano) in seguito a stimolazione e sono capaci di controllare una miriade di processi cellulari.
Scoperta e Importanza dei Secondi Messaggeri
Il concetto di secondo messaggero compare per la prima volta nella letteratura scientifica nel 1957, grazie al lavoro di Earl W. Sutherland. Studiando l'azione dell'adrenalina sulla degradazione del glicogeno a glucosio (glicogenolisi) nel fegato di cane, egli comprese che gli ormoni, i 'primi messaggeri', sono in grado di generare a livello di omogenati di fegato o di preparati di membrane cellulari, ma non di frazioni citosoliche, un fattore solubile (secondo messaggero) in grado di attivare la fosforilasi, l'enzima chiave della glicogenolisi. Tale fattore, grazie alla sua elevata stabilità al caldo e all'acidità, fu rapidamente isolato e identificato nel 1959 come l'adenosin-monofosfato ciclico 3′,5′ (cAMP).
La rilevanza di tale settore è stata chiaramente consacrata dall'assegnazione a Sutherland del Premio Nobel per la medicina o fisiologia nel 1971, e da almeno altri cinque premi Nobel assegnati, da allora a oggi, per scoperte nel campo dei nucleotidi ciclici e della trasduzione del segnale.
Complessità e Specificità della Trasduzione del Segnale
L'aspetto più intrigante della trasduzione del segnale via secondi messaggeri è l'apparente semplicità del sistema. Infatti poche molecole sembrano in grado di controllare nello stesso tipo cellulare funzioni complesse, spesso tra loro opposte, che vanno dalla regolazione del metabolismo energetico al controllo del movimento e della secrezione di ormoni e neurotrasmettitori, alla ricezione degli stimoli esterni (odori, luce, ecc.), alla formazione della memoria a breve e a lungo termine, alla divisione e morte cellulare.
Gli anni più recenti hanno visto infatti uno sforzo notevole nel risolvere questa ambiguità, grazie allo sviluppo di tecniche molto sofisticate che consentono di seguire in tempo reale e a livello di singola cellula o tessuto, le variazioni dei principali secondi messaggeri, in primis il Ca2+ e, più recentemente, anche cAMP, IP3 e DAG.
Leggi anche: Piatti Vegani Facili
La comprensione dei meccanismi attraverso i quali è possibile mantenere un elevato livello di specificità di risposta, pur utilizzando percorsi di trasduzione del segnale che si presentano altamente conservati dai lieviti ai Mammiferi e molto simili tra loro, passando, per esempio, da una cellula endoteliale a una nervosa, rappresenta una sfida e un campo di indagine in continua evoluzione.
Infatti non solo stimoli extracellulari diversi utilizzano lo stesso secondo messaggero in cellule differenti, ma sorprendentemente, nella stessa cellula, stimoli con azione differente utilizzano lo stesso secondo messaggero.
I seguenti fattori possono infatti contribuire a garantire la specificità: la molteplicità dei componenti molecolari coinvolti, la presenza di isoforme specifiche per il tessuto e la fase di sviluppo, la presenza di molteplici livelli di regolazione e interazione (cross-talk) tra secondi messaggeri, la possibilità di compartimentazione dei segnali.
Meccanismi di Trasduzione del Segnale
Per meccanismi di trasduzione si intendono tutti quei sistemi intracellulari di tipo enzimatico che permettono di convertire il segnale extracellulare prodotto dal farmaco o dalla sostanza endogena in segnale intracellulare mediante l'attivazione di un effettore. Una volta attivato l'effettore e convertito il segnale, la cellula darà la sua risposta biologica.
Recettori di Tipo 1
Il ligando si lega al recettore, che è presente sulla membrana e va a modificare l'effettore che in questo caso è il canale ionico. L'accoppiamento è diretto; cioè significa che non vi è necessità di alcun mediatore che trasformi il segnale da extracellulare ad intracellulare. L'agonista si lega al recettore che si trova in prossimità di un canale ionico. Una volta attivato il recettore, il canale ionico si apre e lascia passare ioni (esempio ioni calcio, potassio, cloro, sodio). In base all'entrata o all'uscita degli ioni la membrana cellulare può andare in contro ad una depolarizzazione o iperpolarizzazione. Quando si parla di depolarizzazione la membrana viene eccitata, invece quando si parla di iperpolarizzazione la membrana viene inibita.
Leggi anche: Giallo Zafferano: Piatti Vegani
Recettori di Tipo 2 e Proteine G
I recettori di tipo 2 sono maggiormente presenti nel nostro organismo e sono abbastanza complicati. Necessitano di un intermediario per la trasduzione del segnale e in questo caso l'intermediario è la proteina G.
Una volta che il ligando si lega con il recettore attiva la proteina G, che a sua volta attiverà o un canale ionico od un enzima. Se la proteina G attiva il canale ionico i processi che seguono l'attivazione del canale sono quelli spiegati nei recettori di tipo 1. Se invece la proteina G attiva l'enzima si produrranno dei secondi messaggeri che andranno a generare una serie di effetti cellulari. I principali secondi messaggeri in una cellula sono i nucleotidi ciclici (cAMP e cGMP) e il rilascio di calcio intracellulare. Questi secondi messaggeri vanno ad innescare delle reazioni all'interno della cellula che portano ad una risposta cellulare.
Il tempo d'azione di questo recettore per ottenere una risposta è di pochi secondi. Impiega un po' più di tempo perché il recettore deve attivare la proteina G, che a sua volta provvede ad attivare o il canale o l'enzima. La proteina G, oltre a produrre un'attivazione del canale o dell'enzima, può anche inibire quest'ultimi.
Funzionamento delle Proteine G
La proteina G è una proteina trimerica costituita dalle subunità α, ß e γ. Questa proteina ha un'azione GTPasica, perché è in grado di idrolizzare il GTP e trasformalo in GDP. Nello stadio iniziale la proteina G è legata al GDP, quindi è inattiva. Quando l'agonista si lega al recettore si ha il distacco del GDP e la subunità α si lega al GTP, di conseguenza viene attivata. Una volta attivata, la proteina G può andare a legarsi con l'effettore producendo delle reazioni sul canale o sull'enzima. Terminata l'azione, la subunità α trasforma il GTP in GDP, ritornando alla situazione iniziale per essere di nuovo attivata.
Allo stato inattivo, queste proteine constano di tre subunità (alfa, beta, gamma) unite tra loro, di cui una è associata a GDP (guanosina difosfato). L’interazione fra il segnale e il recettore induce uno scambio nella sub unità alfa della proteina G ( scambio GDP-GTP : il nucleoside difosfato esce e il nucleoside trifosfato entra). con l’ effettore (struttura che converte il segnale extracellulare in un segnale intracellulare; Es.: proteine chinasi, che fosforilano altri fosfati).
La proteina G non determina la risposta intracellulare (che è di natura varia), bensì ne media il determinarsi:
- Interagendo con un canale ionico per poi aprirlo
- Interagendo con un enzima.
Recettori di Tipo 3 e Chinasi
I recettori di tipo 3 sono sempre dei recettori di membrana, accoppiati a delle chinasi. La maggior parte di queste risposte cellulari deriva da delle fosforilazioni proteiche. Il recettore, una volta attivato dal legame con un agonista (ad esempio fattori di crescita, insulina o citochine), va ad attivare una chinasi che catalizza delle reazioni. In successione a questo evento si vanno a formare una serie di fosforilazioni proteiche, con conseguente modificazione dei geni a livello del DNA. Il tempo d'azione è molto lungo, si parla di ore o di giorni perché il bersaglio è proprio la trascrizione genica a livello del DNA.
Recettori di Tipo 4 e Ormoni Steroidei
Diversamente dai recettori precedenti, questi recettori di tipo 4 sono dei recettori intracellulari o citoplasmatici. Spesso questi recettori sono utilizzati dagli ormoni steroidei. è un meccanismo che va modificare l'espressione genica, quindi serve molto tempo per vedere delle risposte cellulari. Necessitano di molto tempo perché si devono produrre le proteine indotte dalla modificazione genica apportata dalla sostanza introdotta nella cellula. Ad esempio l'ormone che si trova all'esterno della cellula, abbandona la proteina che lo sta trasportando e si trasforma in una sostanza molto lipofila. Grazie a questa caratteristica, la sostanza lipofila riesce a passare la membrana cellulare e ad entrare all'interno della cellula. Una volta che la sostanza è entrata nell citoplasma si lega a un sito di riconoscimento (proteina di trasporto) la cui struttura è molto instabile. Di conseguenza, l'ormone entrerà nel nucleo dove andrà ad espletare la sua attività di modificazione della trascrizione genica. A questo punto la risposta cellulare sarà costituita da una produzione di un mRNA che andrà a sintetizzare delle proteine diverse.
Esempi Specifici di Secondi Messaggeri
cAMP (Adenosina Monofosfato Ciclico)
La fig. 2 mostra gli elementi base della via di trasduzione che porta al cAMP: il recettore del segnale extracellulare (agonista) è una proteina a 7 domini transmembrana (7TM); l'effettore, localizzato sulla membrana plasmatica, è l'enzima adenilato-ciclasi che forma sul lato citosolico cAMP da ATP. È poi presente un complesso, detto 'proteina G', formato da 3 subunità proteiche (GαS, β e γ), che accoppia il recettore all'effettore, da cui il nome di 'G protein-coupled receptors' (GPCR) più spesso utilizzato per i recettori a 7TM.
I livelli basali di cAMP sono generalmente piuttosto bassi (∼ 0,1 μM) e in seguito a stimolazione del recettore, nel caso specifico il recettore adrenergico di tipo β2 (β2-AR), si assiste a un brusco (msec÷sec) e ampio (fino a ca. 1÷10 μM) aumento del cAMP. L'attivazione del recettore favorisce infatti il legame della subunità GαS con il GTP e la dissociazione del complesso βγ; GαS attiva l'adenilato-ciclasi per tutto il tempo che mantiene legato il GTP. Il segnale viene poi spento grazie all'idrolisi del GTP a GDP da parte della stessa subunità GαS, che si associa nuovamente al complesso βγ.
Il cAMP può agire sia direttamente, come attivatore specifico di canali ionici sulla membrana plasmatica, i cosiddetti 'Cyclic nucleotide-gated channels' (canali CNG), particolarmente rilevanti nella ricezione e trasmissione degli stimoli nel sistema nervoso, sia indirettamente, attraverso l'attivazione di proteine-chinasi A (PKA), che catalizzano il trasferimento di fosfato dall'ATP su residui di serina e treonina di altre proteine, attivandole o inibendole.
Si tratta di complessi proteici tetramerici, formati da 2 subunità catalitiche e 2 subunità regolatorie. Il legame cooperativo di 4 molecole di cAMP con le subunità regolatorie determina il distacco e l'attivazione delle subunità catalitiche. La PKA così attivata può fosforilare diversi substrati, tra cui anche molti canali ionici.
Nel cuore, la fosforilazione dei canali del Ca2+ attivati dal voltaggio (VOCC, Voltage operated calcium channels) comporta aumento della frequenza e della forza di contrazione, una risposta tipica degli ormoni simpatico-mimetici.
Ricordiamo poi il canale del cloro, associato alla fibrosi cistica (CFTR, Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator): l'attivazione di questo canale comporta uscita di cloro dalla cellula con conseguente richiamo di sodio e acqua, che favorisce la formazione di una secrezione più abbondante e fluida. Nella patologia sopra indicata è il canale stesso a essere difettoso, mentre un'alterazione della modulazione del canale si osserva nell'intossicazione con la tossina del vibrione del colera. L'effetto della tossina è quello di un'attivazione irreversibile della proteina GαS, cui segue una produzione eccessiva di cAMP.
Va poi ricordato come, a livello neuronale, diversi neurotrasmettitori, favoriscono la chiusura, via PKA, di canali del potassio. La depolarizzazione che ne segue comporta il prolungamento del potenziale di azione presinaptico, un maggior ingresso di Ca2+ e quindi il potenziamento della neurotrasmissione.
Altri substrati della PKA sono diverse proteine del citoscheletro e degli organuli intracellulari, tra cui numerose altre chinasi, in grado di controllare la motilità cellulare e la secrezione di vescicole.
Infine, la subunità catalitica della PKA è in grado di attraversare i pori nucleari e attivare per fosforilazione un fattore di trascrizione (CREB, CRE binding), che si lega a sequenze specifiche di DNA indicate come 'cAMP-responsive-element' (CRE), presenti in circa un centinaio di promotori genici. CREB fosforilato, legandosi al DNA, recluta una proteina che interagisce con la RNA-polimerasi II, attivando la trascrizione genica.
Oltre ai canali attivati da cAMP e PKA, negli ultimi anni sono state identificate altre proteine capaci di legare il cAMP e di attivare specifiche vie di segnale.
Gli effetti riportati per il cAMP variano quindi sia nel tempo sia nello spazio. Infatti l'attivazione diretta di un canale ionico a livello della membrana plasmatica richiede pochi micro-millisecondi, mentre la modulazione dell'attività di proteine citosoliche richiede secondi o minuti; ore o giorni sono invece richiesti per la formazione e l'accumulo di nuove proteine, conseguenti agli effetti del cAMP sulla trascrizione genica.
La terminazione del segnale via cAMP è costantemente sotto il controllo delle fosfodiesterasi (PDE), enzimi che catalizzano l'idrolisi dei nucleotidi ciclici, altamente regolati nella cellula e sensibili all'azione inibitoria di composti che attraversano la membrana, come le metilxantine (tra le più note ricordiamo la caffeina e la teofillina).
Nelle cellule sono presenti anche altri recettori adrenergici (tipo α) accoppiati a proteine Gαi in grado di inibire, anziché attivare, l'adenilato-ciclasi, che contribuiscono quindi ad abbassare livelli tonici elevati di cAMP.
Il complesso βγ ha anch'esso un ruolo come trasduttore del segnale, in quanto a livello della membrana plasmatica funziona sia come inibitore della Gαs, sia come modulatore di canali ionici e di altre vie di segnalazione. L'esempio classico è l'attivazione, che si instaura in tempi rapidissimi (μsec), dei canali del potassio sensibili all'acetilcolina presenti nelle cellule del pacemaker cardiaco.
cGMP (Guanosina Monofosfato Ciclico)
Nel 1963 venne individuato anche il cGMP, la cui presenza nelle urine insieme al cAMP fu subito correlata allo stato ormonale dell'animale. Il suo ruolo come secondo messaggero venne tuttavia scoperto molto più tardi (1975) ed è legato alla comprensione dei meccanismi che portano alla trasduzione dei segnali luminosi nella retina dei Mammiferi.
In questo caso, a essere stimolato dalla luce è un recettore a 7TM (rodopsina) che accoppia una proteina G (o Gαt, transducin) all'attivazione di una PDE specifica. Il cGMP mantiene aperto un canale cationico responsabile della depolarizzazione del fotorecettore al buio; la sua idrolisi, attivata dalla luce attraverso una cascata di eventi che coinvolge la rodopsina, la Gαt e la PDE associata, riporta il potenziale di membrana ai valori di riposo.
La centralità del cGMP nella trasduzione del segnale arriva tuttavia dalle scoperte inerenti la contrazione del muscolo liscio. Tra gli anni Ottanta e Novanta furono individuati gli enzimi che portano alla sintesi del cGMP, in particolare, la guanilato-ciclasi solubile (sGC), sensibile all'azione del fattore rilasciante prodotto dall'endotelio (EDRF), più tardi identificato come il gas ossido di azoto (NO), e la guanilato-ciclasi di membrana (pGC), sensibile all'azione di un peptide prodotto dal cuore o peptide natriuretico atriale (ANP).
Tra le proteine che presentano siti allosterici per il cGMP vi sono, oltre ai canali cationici CNG, anche proteine-chinasi G (PKG) e fattori che, controllando lo scambio tra GTP e GDP, modulano l'attività delle proteine G (fig. 3).
Nel muscolo liscio l'attivazione della PKG favorisce il rilassamento della fibra, opponendosi all'azione contrattile del Ca2+. L'azione più nota al pubblico sotto controllo del cGMP è quella esercitata dal viagra.
Calcio (Ca2+)
Il fatto che il Ca2+ fosse importante nel controllo della contrazione muscolare era noto da molto tempo, ma l'idea che potesse anche funzionare come secondo messaggero in altri tipi cellulari si sviluppò solo intorno agli anni Settanta quando fu dimostrato il suo ruolo nella secrezione.
Per alcuni anni lo studio del ruolo del Ca2+ come secondo messaggero fu concentrato soprattutto sui fenomeni della contrazione muscolare e della neurosecrezione, e in particolare sui meccanismi che regolano i canali della membrana plasmatica attraverso cui il Ca2+ può diffondere nel citoplasma.
Una svolta importante in questo campo si verificò grazie agli studi sull'azione della serotonina nella secrezione salivare degli Insetti. In quest'ultimo modello, gli studi condotti da Michael J. Berridge dimostrarono che il neurotrasmettitore stimola il movimento transepiteliale dell'acqua secondo gradiente osmotico, favorendo l'uscita di potassio e cloro dalla cellula.
Due recettori diversi sono responsabili del fenomeno: il primo stimola il trasporto del potassio, attraverso la via già nota del cAMP, il secondo stimola l'efflusso di cloro, attraverso un canale attivato dal Ca2+.
L'aspetto più sorprendente di questo studio era che la principale sorgente di Ca2+ fosse stata individuata all'interno, e non all'esterno, della cellula, nei cosiddetti 'depositi intracellulari'.
L'azione di agonisti sull'idrolisi di questi lipidi era nota già dal 1953, ma soltanto più tardi, grazie al lavoro di Robert H. Michell, si intuì che solo i recettori che usano come secondo messaggero il Ca2+, e non il cAMP, sono anche in grado di stimolare la formazione di inositolo 1-fosfato (IP1), una piccola molecola idrofilica, diffusibile, potenzialmente in grado di veicolare il messaggio dalla membrana ai depositi del Ca2+ intracellulare.
Così come, nei primi studi sul cAMP, un aiuto venne dagli inibitori degli enzimi che degradano il messaggero (le metilxantine), anche in questo caso, un contributo venne dalla scoperta (o meglio riscoperta) del litio che è un potente inibitore della degradazione dell'IP1 a inositolo.
L'impiego del litio permise di studiare il turnover del PI, misurando l'accumulo dei precursori dell'IP1 in parallelo con i flussi di Ca2+ durante la stimolazione con agonisti, marcando le cellule con inositolo e Ca2+ radioattivi.
Inoltre, il confronto tra le cinetiche di attivazione dei canali del cloro da parte del Ca2+ e di produzione dei fosfoinositoli portò a identificare nell'inositolo 1,4,5-trifosfato (IP3), e non nell'IP1, il mediatore del rilascio di Ca2+ dai depositi intracellulari, attraverso canali specifici, oggi definiti 'recettori dell'IP3' (IP3R).
tags: #secondi #messaggeri #proteine #G #funzionamento