Secondi messaggeri

I secondi messaggeri sono piccole molecole intracellulari che mediano gli effetti dei primi messaggeri, ovvero neurotrasmettitori e ormoni. I secondi messaggeri attivano percorsi di segnalazione intracellulare che amplificano il segnale e culminano con l’attivazione o l’inibizione dei fattori di trascrizione, inducendo una risposta cellulare.

Essi sono coinvolti in una cascata di eventi di trasmissione del segnale che regolano processi biologici essenziali come la crescita cellulare, il metabolismo e l’espressione genica. I secondi messaggeri, pur essendo dotati di strutture e ruoli diversi, sono accomunati dalla loro capacità di legarsi a specifici bersagli proteici per alterarne l’attività e suscitare segnali a valle all’interno della cellula.

I secondi messaggeri furono scoperti dal fisiologo statunitense Earl Wilbur Sutherland Jr. che, grazie ai suoi studi sui meccanismi d’azione degli ormoni, vinse il premio Nobel per la medicina nel 1971. Nell’ambito delle sue ricerche Sutherland scoprì che l’adrenalina se da un lato stimolava il fegato a convertire il glicogeno in glucosio nelle cellule epatiche, non riusciva da sola a convertire il glicogeno in glucosio e pertanto si doveva avvalere di un secondo messaggero.

Classificazione dei secondi messaggeri

I secondi messaggeri possono essere classificati sulla base della loro struttura chimica e, in tal caso, sono suddivisi in quattro classi principali ovvero nucleotidi ciclici, messaggeri lipidici, ioni, gas e radicali liberi. I secondi messaggeri di ciascuna di queste classi si legano a specifici bersagli proteici, alterandone l’attività per trasmettere segnali a valle.

Nucleotidi ciclici

I nucleotidi ciclici come adenosina monofosfato ciclico (cAMP) e altre molecole solubili e inviano segnali all’interno del citosol. Essi regolano un gran numero di processi, tra cui proliferazione, chemiotassi, differenziazione, contrazione, trascrizione genica e infiammazione.

La regolazione dei livelli intracellulari di guanosina monofosfato ciclico (cGMP) o cAMP, sia nello stato di riposo che in risposta a stimoli, è quindi fondamentale per il corretto funzionamento e la sopravvivenza di molti organismi. I livelli di un nucleotide ciclico nella cellula sono determinati dalle velocità relative di sintesi da parte delle ciclasi, adenilato ciclasi e guanilato ciclasi e dalla degradazione da parte delle fosfodiesterasi

Messaggeri lipidici

I messaggeri lipidici di cui il diacilglicerolo è il più noto inviano segnali all’interno delle membrane cellulari. Essi interagiscono con specifici target biochimici come le protein-chinasi e le fosfatasi, così come con gli enzimi metabolici, avviando così una cascata di cambiamenti intracellulari.

I livelli di diacilglicerolo aumentano transitoriamente in risposta a una serie di fattori di crescita e ormoni. Questo aumento nei livelli di diacilglicerolo determina l’attivazione della famiglia di enzimi della protein-chinasi C che fungono da interruttori nella regolazione della funzione cellulare attraverso la fosforilazione di una serie di substrati proteici cellulari.

Alterazioni in queste vie di trasduzione del segnale che coinvolgono precursori lipidici, enzimi che metabolizzano i lipidi, secondi messaggeri lipidici e bersagli dei secondi messaggeri lipidici possono essere alla base di diverse condizioni patologiche, tra cui cancro, malattie autoimmuni, condizioni infiammatorie e senescenza e morte cellulare.

Gli ioni inviano segnali all’interno e tra i compartimenti cellulari. In particolare lo ione calcio svolge un ruolo importante nelle reazioni stimolo-risposta delle cellule. Nel suo ruolo di secondo messaggero nel muscolo scheletrico, il calcio coordina la funzione del muscolo controllando il rilascio di ATP in un momento di bisogno

Gas e radicali liberi

I gas e radicali liberi che possono inviare segnali in tutta la cellula e persino alle cellule vicine. L’ossido nitrico è un gas che può fungere da secondo messaggero nella trasmissione del segnale attivando la guanilato ciclasi. Ciò porta alla produzione di cGMP e all’attivazione di processi cellulari. Il monossido di azoto è sintetizzato dagli enzimi dell’ossido nitrico sintasi (NOS) che convertono l’amminoacido L-arginina in NO e L-citrullina.

Una volta prodotto in cellule specifiche, l’ossido nitrico viene rilasciato nello spazio extracellulare dove può diffondersi attraverso le membrane cellulari ed entrare nelle cellule bersaglio per funzionare come una molecola di segnalazione. La cascata di cambiamenti derivanti dall’ossido di azoto prodotto da diversi enzimi NOS influenza un’ampia gamma di processi tra cui il rilassamento muscolare, la regolazione della pressione sanguigna e la neurotrasmissione.

Esempi di secondi messaggeri

Adenosina monofosfato ciclico

L’adenosina monofosfato ciclico (cAMP) è il mediatore intracellulare degli effetti dell’ormone. Mentre l’ormone è considerato il primo messaggero che agisce sulle cellule dotate di recettori per l’ormone stesso il cAMP è il secondo messaggero, uguale per tutte le cellule e per tutti gli ormoni che porta il messaggio all’interno della cellula.

Un esempio di come  il cAMP riesca a mediare l’azione di un ormone è costituito dall’adrenalina. Essa è un ormone che trasmette segnali da una cellula (o un gruppo di cellule) ad un’altra cellula (o altro gruppo di cellule). Tale sostanza è prodotta da un organismo con il compito di modularne il metabolismo e/o l’attività di tessuti e organi dell’organismo stesso.

La secrezione dell’adrenalina nel sangue induce una serie di risposte che preparano l’organismo a “lottare o fuggire”. Il nostro organismo è continuamente sottoposto a stimoli dall’esterno, alcuni piacevoli altri addirittura pericolosi.  Durante l’evoluzione si è sviluppato un sistema che ci permette di monitorare costantemente il pericolo e di farci reagire rapidamente per sottrarci ad esso.

Guanosina monofosfato ciclico

Il guanosina monofosfato ciclico (cGMP), unitamente all’adenosina monofosfato ciclico (cAMP), sono due secondi messaggeri molto importanti coinvolti nella trasduzione del segnale intracellulare in molti tipi di cellule, nella proliferazione cellulare, nella regolazione del ciclo cellulare e nella funzione metabolica.

In qualità di messaggero intracellulare il guanosina monofosfato ciclico media un ampio spettro di processi fisiologici in diversi tipi di cellule nei sistemi cardiovascolare, gastrointestinale, urinario, riproduttivo, nervoso, endocrino e immunitario. In particolare, la segnalazione del guanosina monofosfato ciclico svolge un ruolo fondamentale nell’endotelio, nelle cellule muscolari lisce vascolari e nei miociti cardiaci.

Il guanosina monofosfato ciclico è coinvolto in varie risposte cellulari, come l’attività della proteina chinasi, i canali ionici controllati dai nucleotidi ciclici e le fosfodiesterasi dei nucleotidi ciclici regolate da cGMP. È stato scoperto che attiva alcune proteine ​​chinasi intracellulari quando gli ormoni peptidici si legano alla membrana cellulare e attivano il guanosina monofosfato ciclico. Ad esempio, il cGMP si lega alle unità regolatrici della proteina chinasi G.

Diacilglicerolo

Il diacilglicerolo ha molteplici ruoli nel metabolismo cellulare ed è un importante intermedio nella biosintesi dei glicerolipidi nelle cellule eucariotiche, ed è stato anche dimostrato che è un importante effettore nel processo di trasduzione del segnale attraverso le membrane cellulari.

Funge sia da secondo messaggero nei percorsi di trasduzione del segnale che controllano i processi cellulari vitali, sia da precursore metabolico per i lipidi di segnalazione a valle come l’acido fosfatidico. Il diacilglicerolo ha un ruolo fondamentale nel metabolismo dei lipidi e nei processi di segnalazione che controllano diverse funzioni cellulari regolando la localizzazione della proteina chinasi C.

Il diacilglicerolo è un secondo messaggero lipidico che viene generato in risposta a stimoli extracellulari e canalizza segnali intracellulari che influenzano la proliferazione, la sopravvivenza e la motilità delle cellule dei mammiferi.

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