โมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง

โมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง () 
เป็นโมเลกุลให้สัญญาณภายในเซลล์ (intracellular signaling molecule) 
ที่เซลล์หลั่งออกเพื่อเริ่มการเปลี่ยนแปลงทางสรีรภาพ 
เช่น การเพิ่มจำนวนเซลล์ (proliferation) การเปลี่ยนสภาพ (differentiation) การอพยพย้ายที่ การรอดชีวิต และอะพอพโทซิส
ดังนั้น โมเลกุลส่งสัญญาณที่สองจึงเป็นองค์ประกอบเริ่มต้นองค์หนึ่งที่จุดชนวนลำดับการถ่ายโอนสัญญาณ (signal transduction) ภายในเซลล์ 
ตัวอย่างของโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองรวมทั้ง cyclic adenosine monophosphate (cAMP), cyclic guanosine monophosphate (cGMP), inositol trisphosphate (IP3), ไดกลีเซอไรด์ และแคลเซียม
เซลล์จะหลั่งโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองเมื่อได้รับโมเลกุลส่งสัญญาณนอกเซลล์ ซึ่งเรียกว่า โมเลกุลส่งสัญญาณที่หนึ่ง (first messenger)
และเป็นปัจจัยนอกเซลล์ บ่อยครั้งเป็นฮอร์โมนหรือสารสื่อประสาท เช่น เอพิเนฟรีน, growth hormone, และเซโรโทนิน
เพราะฮอร์โมนแบบเพปไทด์และสารสื่อประสาทปกติจะเป็นโมเลกุลชอบน้ำ
จึงไม่อาจผ่านข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ซึ่งเป็นชั้นฟอสโฟลิพิดคู่ เพื่อเริ่มการเปลี่ยนแปลงภายในเซลล์โดยตรง นี่ไม่เหมือนฮอร์โมนแบบสเตอรอยด์ซึ่งปกติจะข้ามได้
การทำงานที่จำกัดเช่นนี้จึงทำให้เซลล์ต้องมีกลไกถ่ายโอนสัญญาณ เพื่อเปลี่ยนการส่งสัญญาณของโมเลกุลที่หนึ่งให้เป็นการส่งสัญญาณของโมเลกุลที่สอง คือให้สัญญาณนอกเซลล์แพร่กระจายไปภายในเซลล์ได้
ลักษณะสำคัญของระบบนี้ก็คือ โมเลกุลส่งสัญญาณที่สองอาจจับคู่ในลำดับต่อ ๆ ไปกับกระบวนการทำงานของ kinase แบบ multi-cyclic เพื่อขยายกำลังสัญญาณของโมเลกุลส่งสัญญาณแรกอย่างมหาศาล
ยกตัวอย่างเช่น RasGTP จะเชื่อมกับลำดับการทำงานของ Mitogen Activated Protein Kinase (MAPK) เพื่อขยายการส่งสัญญาณแบบ allosteric ของปัจจัยการถอดรหัส (transcription factor) เพื่อเพิ่มจำนวนเซลล์ เช่น Myc และ CREB

นักเภสัชวิทยาและเคมีชีวภาพชาวอเมริกัน เอิร์ล วิลเบอร์ ซัทเทอร์แลนด์ จูเนียร์ (Earl Wilbur Sutherland, Jr) เป็นผู้ค้นพบโมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง เป็นงานที่เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ในปี ค.ศ. 1971
คือเขาได้สังเกตว่า เอพิเนฟรีนกระตุ้นให้ตับเปลี่ยนไกลโคเจนเป็นกลูโคสภายในเซลล์ตับ แต่เอพิเนฟรินโดยตนเองจะไม่เปลี่ยนไกลโคเจน
แล้วพบว่า เอพิเนฟรินต้องเริ่มการทำงานของโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองคือ cAMP เพื่อให้ตับเปลี่ยนไกลโคเจนเป็นกลูโคส
ต่อมา นักเคมีชีวภาพชาวอเมริกันมาร์ติน ร็อดเบลล์ (Martin Rodbell) และอัลเฟร็ด จี กิลแมน (Alfred G. Gilman) ได้แสดงกลไกการทำงานเช่นนี้อย่างละเอียด ผู้ต่อมาได้รางวัลโนเบลปี 1994

ระบบโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองสามารถสังเคราะห์และให้เริ่มทำงานโดยอาศัยเอนไซม์ เช่น เอนไซม์ cyclase ที่สังเคราะห์ cyclic nucleotide หรืออาศัยการเปิดช่องไอออนที่ปล่อยให้ไอออนโลหะไหลเข้ามาในเซลล์ เช่น ในการให้สัญญาณของ Ca2+ 
โมเลกุลเล็ก ๆ เหล่านี้จะจับกับแล้วเริ่มการทำงานของ protein kinases, ของช่องไอออน และของโปรตีนอื่น ๆ ซึ่งดำเนินการให้สัญญาณลำดับต่อไป

ประเภทของโมเลกุล 
มีโมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง 3 ประเภทหลัก ๆ คือ
 โมเลกุลไฮโดรโฟบิก/กลัวน้ำ เป็นโมเลกุลที่ละลายน้ำไม่ได้เช่น diacylglycerol และ phosphatidylinositol ซึ่งอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์ และแพร่จากเยื่อหุ้มเซลล์เข้าไปในช่องระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์ (intermembrane space) ที่มันสามารถเข้าถึงและควบคุมโปรตีนปฏิบัติงาน (effector protein) ซึ่งอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์เช่นกัน
 โมเลกุลชอบน้ำ เป็นโมเลกุลที่ละลายน้ำได้และอยู่ในไซโตซอลของเซลล์ เช่น cAMP, cGMP, IP3, และ Ca2+ 
 แก๊ส ไนตริกออกไซด์ (NO) คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) และไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) ซึ่งสามารถแพร่ผ่านทั้งไซโตซอลและเยื่อหุ้มเซลล์

โมเลกุลส่งสัญญาณภายในเซลล์เช่นนี้มีคุณสมบัติบางอย่างที่เหมือนกันรวมทั้ง
 สามารถสังเคราะห์ หลั่งออก แล้วต่อมาสลายอีกโดยปฏิกิริยาเนื่องด้วยเอนไซม์หรือช่องไอออนโดยเฉพาะ ๆ 
 บางอย่าง (เช่น Ca2+) สามารถเก็บไว้ในออร์แกเนลล์พิเศษทำให้เซลล์สามารถหลั่งได้อย่างรวดเร็วเมื่อจำเป็น
 การผลิต/ปล่อยและการสลายสามารถจำกัดบริเวณ ทำให้เซลล์สามารถจำกัดพื้นที่และเวลาในการส่งสัญญาณ

กลไกสามัญ 

มีระบบโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองหลายอย่าง (เช่น cAMP, phosphoinositol, และ arachidonic acid)
แต่ทั้งหมดก็มีกลไกทั่วไปที่คล้ายกันมาก แม้สารที่เกี่ยวข้องและผลที่ได้จะต่างกัน

โดยมาก จะมีลิแกนด์หนึ่งที่จับกับโมเลกุลโปรตีนตัวรับ (receptor protein) ซึ่งแผ่ข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ นอกเซลล์
การจับกันระหว่างลิแกนด์กับโปรตีนตัวรับทำให้ตัวรับแปรสภาพแบบ conformational change
ซึ่งมีผลต่อการทำงานของตัวรับและมีผลให้สร้างโมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง

ในกรณีของ G protein-coupled receptors การแปรสภาพจะเปิดจุดยึด (binding site) ของโปรตีนตัวรับกับจีโปรตีน (G-protein ตั้งชื่อตามโมเลกุลที่เข้ายึดกับโปรตีนคือ guanosine diphosphate ตัวย่อ GDP และ guanosine triphosphate ตัวย่อ GTP) 
ซึ่งยึดอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์ด้านในโดยมีหน่วยย่อย ๆ 3 หน่วยคือ แอลฟา บีตา และแกมมา
จีโปรตีนเรียกอีกอย่างได้ว่า ตัวแปรสัญญาณ (transducer)

เมื่อจีโปรตีนเข้ายึดกับโปรตีนตัวรับ มันก็จะสามารถแลกเปลี่ยนโมเลกุล GDP ที่อยู่ในหน่วยแอลฟาของมันไปเป็น GTP 
การแลกเปลี่ยนโมเลกุลมีผลทำให้หน่วยย่อยแอลฟาของโปรตีนแปรสัญญาณแยกเป็นอิสระจากหน่วยย่อยบีตาและแกมมา โดยหน่วยย่อยทั้งหมดก็ยังยึดอยู่กับเยื่อหุ้มเซลล์อยู่
หน่วยย่อยแอลฟาที่เป็นอิสระ สามารถวิ่งไปตามเยื่อหุ้มเซลล์ด้านใน 
ในที่สุดก็จะเข้ายึดกับโปรตีนซึ่งติดอยู่กับเยื่อหุ้มเซลล์อีกชนิดหนึ่ง คือ หน่วยปฏิบัติงานหลัก (primary effector) เช่น adenylyl cyclase

หน่วยปฏิบัติงานก็จะเริ่มทำงาน ซึ่งสร้างสัญญาณที่แพร่ไปในเซลล์
สัญญาณนี้เรียกว่า โมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง 
ซึ่งก็อาจเริ่มการทำงานของหน่วยปฏิบัติงานที่สอง (secondary effector) ซึ่งมีผลขึ้นอยู่กับชนิดโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองโดยเฉพาะ ๆ

ไอออนแคลเซียมเป็นโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองอย่างหนึ่ง และมีหน้าที่ทางสรีรภาพที่สำคัญหลายอย่างรวมทั้งการหดเกร็งของกล้ามเนื้อ การผสมเชื้อ และการปล่อยสารสื่อประสาท
ไอออนปกติจะยึดอยู่หรือเก็บไว้ในที่เก็บภายในเซลล์บางอย่าง (เช่น ร่างแหเอนโดพลาซึม) และจะปล่อยออกในช่วงการถ่ายโอนสัญญาณ
โดยเอนไซม์ phospholipase C จะสร้าง diacylglycerol และ inositol trisphosphate
ซึ่งเป็นตัวกระตุ้นให้ปล่อยไอออนแคลเซียมภายในเซลล์
จีโปรตีนที่ออกฤทธิ์ก็จะเปิดช่องแคลเซียมเพื่อให้ไอออนแคลเซียมไหลผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ได้
ส่วนผลผลิตอีกอย่างของ phospholipase C คือ diacylglycerol จะเริ่มการทำงานของ protein kinase C ซึ่งจุดชนวนการทำงานของ cAMP อันเป็นโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองอีกอย่างหนึ่ง

ตัวอย่าง

เชิงอรรถและอ้างอิง

แหล่งข้อมูลอื่น 
 
 Animation: Second Messenger: cAMP

การส่งสัญญาณของเซลล์