plik


ÿþNAUKA 4/2006 " 129-133 JOLANTA B. ZAWILSKA1, JERZY Z. NOWAK2 Rytmy biologiczne  uniwersalny system odczytywania czasu Ruchy rotacyjne Ziemi  obrót planety dokoBa wBasnej osi oraz obieg Ziemi wokóB SBoDca  pocigaj za sob dobrze nam znane zjawiska nastpstwa dnia i nocy oraz nastpstwo pór roku. Dobowe i sezonowe zmiany [rodowiska naturalnego, w tym m.in. o[wietlenia, temperatury czy opadów, wywieraj ogromny wpByw na organizmy |ywe i wymuszaj cykliczne dostosowywanie si procesów fizjologicznych i biochemicznych do zmian [rodowiskowych. Organizmy ro[linne i zwierzce musiaBy zatem wytworzy odpowiednie mechanizmy umo|liwiajce im  odczytywanie upBywajcego czasu, pory dnia i pory roku. W toku ewolucji wyksztaBciBy ró|norodne rytmy biologiczne, które pozwalaj im nie tylko zsynchronizowa swoje funkcje |yciowe ze zmianami zachodz- cymi w [rodowisku, ale tak|e  co okazaBo si niezwykle wa|ne dla prze|ycia i sukcesu reprodukcyjnego  przewidywa nadchodzce zmiany w [rodowisku i odpowiednio wcze[nie si do nich dostosowa. Rytmy biologiczne s nie tylko powszechne, ale  z punktu widzenia mechanizmów molekularnych le|cych u ich podBo|a  równie| bardzo zachowane ewolucyjnie. Do najlepiej poznanych i najcz[ciej wystpujcych rytmów biologicznych nale| rytmy okoBodobowe, które przebiegaj w cyklach trwajcych okoBo 24 godzin. W rytmie okoBodobowym zmieniaj si m.in. st|enia kr|cych we krwi hormonów, aktywno[ lokomotoryczna (rytm sen-czuwanie), temperatura ciaBa, wra|liwo[ wzrokowa, koordy- nacja wzrokowo-ruchowa, ci[nienie ttnicze krwi i szybko[ akcji serca, ekspresja nie- których genów czy aktywno[ enzymów. U wielu gatunków zwierzt aktywno[ rozrod- cza, ilo[ spo|ywanego pokarmu, nat|enie procesów metabolicznych, masa ciaBa, kolor sier[ci, piór bdz skóry, gsto[ i dBugo[ sier[ci zmieniaj si w [ci[le okre[lonych i zaprogramowanych cyklach rocznych. Cykle te m.in. pozwalaj na przygotowanie si zwierzcia do surowych i ci|kich warunków |ycia w zimie lub w porze suchej oraz na wydanie potomstwa w okresie zapewniajcym najwiksz dostpno[ pokarmu. Owca, 1 Prof. dr hab. Jolanta B. Zawilska, ZakBad Farmakodynamiki Uniwersytetu Medycznego w Aodzi; Centrum Biologii Medycznej PAN w Aodzi 2 Prof. dr hab. Jerzy Z. Nowak, Katedra Farmakologii i Farmakologii Klinicznej Uniwersytetu Medycznego w Aodzi; Centrum Biologii Medycznej PAN w Aodzi 130 Jolanta B. Zawilska, Jerzy Z. Nowak wiewiórka ziemna, lis polarny, sarna, rezus, niedzwiedz czarny, chomik syberyjski i chomik syryjski  to tylko nieliczne przykBady zwierzt z dobrze poznanymi rytmami sezonowymi (okoBorocznymi). {yjce w strefach pozarównikowych ssaki i wiele gatun- ków ptaków do dBugoterminowego odmierzania upBywajcego czasu wykorzystuj zja- wisko fotoperiodyzmu. Fotoperiodyzm rejestruje zachodzce na przestrzeni roku zmia- ny w dBugo[ci dnia i  przekBada je na zmiany w zachowaniu i fizjologii zwierzcia. U podstaw fotoperiodyzmu le| zjawiska tzw. fotoindukcji i fotorefrakcyjno[ci. Foto- indukcja polega na zaprogramowanej genetycznie odpowiedzi organizmu na skracanie si lub wydBu|anie dnia (czsto okre[lanych mianem przej[cia od dBugich do krótkich dni lub odwrotnie). Z kolei fotorefrakcyjno[ to zachodzca stopniowo na przestrzeni tygodni lub miesicy adaptacyjna zmiana organizmu do skracajcego si lub wydBu|a- jcego dnia o charakterze przeciwstawnym do efektu wywoBanego w procesie fotoin- dukcji. Znajomo[ zjawiska fotoperiodyzmu i fotorefrakcyjno[ci s wykorzystywane przez ludzi w hodowli zwierzt gospodarskich. Dziki osigniciom techniki (przede wszystkim sztucznemu o[wietleniu i klima- tyzacji) wspóBczesnemu czBowiekowi udaBo si w znaczcym stopniu wyalienowa od cyklicznie zmieniajcych si warunków [rodowiska. Czy zatem tworzc sztuczne [rodo- wisko, w którym mieszkamy i pracujemy, zatracili[my zdolno[ do odpowiedzi na pory dnia i pory roku. Wydaje si, |e nie. Cz[ z nas preferuje  sowi tryb |ycia i z trudem wstaje z Bó|ka przed 9-10 rano, natomiast inni, o aktywno[ci skowronka, o tej godzinie pracuj na peBnych obrotach. Chronotyp nie tylko rzutuje na wyniki naszej pracy, ale tak|e na |ycie osobiste. Dla przykBadu, w[ród par niedobranych pod wzgldem chro- notypu (sowa-skowronek) nieporozumienia maB|eDskie wystpuj co najmniej cztero- krotnie cz[ciej ni| u par o tym samym chronotypie. Badania ostatniej dekady wykazaBy, |e u wielu osób zachowaBy si sezonowe zmiany nastroju, energii |yciowej, aktywno[ci psychoruchowej i metabolizmu. Zim chtnie dBu|ej [pimy i wicej jemy (szczególnie pokarmów bogatych w wglowodany), jeste[my bardziej melancholijni, przygnbieni, a nasza aktywno[ |yciowa (zarówno na polu zawodowym, jak i towarzyskim) jest zde- cydowanie mniejsza ni| latem. Geny zegarowe podstaw  tykania zegara biologicznego W odmierzaniu czasu w cigu doby uczestniczy tzw. kompleks okoBodobowy, w skBad którego wchodz (1) zegar biologiczny odpowiedzialny za wytwarzanie rytmu(ów) bio- logicznego, (2) szlaki doprowadzajce sygnaBy [rodowiskowe do zegara oraz (3) szlaki, którymi nastpuje przekazywanie rytmicznego sygnaBu(ów) z zegara do struktur efekto- rowych organizmu. U ssaków naczelny zegar biologiczny znajduje si w jdrach nad- skrzy|owaniowych przedniej cz[ci podwzgórza (ang. suprachiasmatic nuclei ; SCN)  niewielkiej, bo zbudowanej z okoBo 8000-14 000 gsto upakowanych neuronów, struk- Rytmy biologiczne  uniwersalny system odczytywania czasu 131 tury mózgowej. Trzon unikalnej pracy zegara okoBodobowego opiera si na wBa[- ciwo[ciach, kontroli ekspresji i wzajemnych powizaniach funkcjonalnych, wystpu- jcych w nim tzw. genów zegarowych. Dotychczas zidentyfikowano zaledwie kilkana[cie genów zegarowych. Mechanizmy kontrolujce ich ekspresj  podobne u tak odlegBych ewolucyjnie gromad jak sinice, grzyby, owady, ssaki  wykorzystuj zdolno[ biaBkowych produktów genów do pobudzania lub hamowania transkrypcji genów zegarowych. U ssa- ków podstawowe geny zegarowe to Clock, Bmal1, Per1, Per2, Per3, Cry1 i Cry2 (te dwa ostatnie koduj syntez kryptochromów). W modelu transkrypcyjno-translacyjnym okoBodobowego zegara biologicznego ssaków heterodimery biaBek Clock-Bmal przyB- czaj si do promotora genów Per1, Per2 i indukuj ich transkrypcj. Po osigniciu przez nagromadzajce si w cytoplazmie biaBka Period1 i Period2 odpowiednio wyso- kiego poziomu, dochodzi do powstawania ujemnych kompleksów transkrypcyjnych, w skBad których, obok biaBek Period, wchodz kryptochromy i tzw. biaBko Timeless (produkt genu TIM). Kompleksy te wi| si z heterodimerami Clock-Bmal i uniemo|- liwiajc im aktywacj transkrypcji genów Per, zamykaj ptl transkrypcyjno-transla- cyjn. Poza SCN geny zegarowe wystpuj w innych rejonach mózgu, a tak|e w tkankach obwodowych (np. w wtrobie, pBucach, nerkach, mi[niach szkieletowych). Pomimo |e w tkankach tych stwierdzono rytmiczne oscylacje o charakterze dobowym/okoBo- dobowym, dla peBnej synchronizacji rytmów pojedynczych komórek danej tkanki i powstania jednorodnego, 24-godzinnego rytmu konieczny jest sygnaB koordynujcy z SCN. ZwiatBo w roli zegarmistrza rytmów okoBodobowych Pracujcy w [rodowisku bezsygnaBowym (czyli pozbawiony informacji o upBywa- jcym czasie) nadrzdny zegar biologiczny zaczyna odmierza dBugo[ doby w swoisty dla siebie sposób - najcz[ciej jest ona nieco dBu|sza od 24 godzin (co, jak si uwa|a, jest konsekwencj dBugo[ci astronomicznej doby), znacznie rzadziej krótsza. Mamy wówczas do czynienia ze swobodnie biegncymi (dryfujcymi) rytmami okoBodobowymi. Zjawisko takie wystpuje np. u ludzi niewidomych, u których odbiegajcy od standardo- wego, 24-godzinnego, endogenny rytm sen-czuwanie prowadzi do okresowego  odwra- cania dobowej aktywno[ci (sen w cigu dnia, aktywno[ psychomotoryczna w nocy). Do prawidBowej pracy nadrzdny zegar biologiczny potrzebuje zatem informacji ze [ro- dowiska zewntrznego, speBniajcej rol dawcy czasu (niem. Zeitgeber ), oraz szlaków, którymi bdzie ona przenoszona z miejsc detekcji do zegara. Informacja ta jest najcz[ciej zakodowana w postaci zmian w intensywno[ci o[wietlenia [rodowiska. Rol dawców czasu mog tak|e peBni zmiany (cykliczne) temperatury lub wilgotno[ci. Przez dBugi czas uwa|ano, |e za odbiór [wiatBa dla potrzeb zegara biologicznego odpowiadaj 132 Jolanta B. Zawilska, Jerzy Z. Nowak klasyczne komórki fotoreceptorowe siatkówki, czopki i prciki. Badania ostatnich kilku lat obaliBy ten dogmat. Wykazano mianowicie, |e w siatkówkach ró|nych gromad krgowców (a tak|e w siatkówce czBowieka) wystpuje maBa populacja bezpo[rednio [wiatBoczuBych komórek zwojowych, które zawieraj nowo odkryty barwnik wzrokowy  melanopsyn. Melanopsynowe komórki zwojowe dziki silnie rozbudowanemu drzewu dendrytycznemu zbieraj informacje [wietlne z obszaru caBej siatkówki, a nastpnie przesyBaj je do SCN. W przeciwieDstwie do klasycznych fotoreceptorów pracuj jako  liczniki fotonów , rejestrujc zachodzce w czasie zmiany w intensywno[ci promienio- wania. Odkrycie melanopsynowych komórek zwojowych pozwoliBo na zrozumienie, dlaczego u niektórych osób niewidomych zegar biologiczny i generowane przez niego rytmy okoBodobowe nadal podlegaj synchronizacji przez [wiatBo. W jaki sposób zegar informuje organizm o porze dnia? Melatonina jako hormon ciemno[ci Trzecim kluczowym elementem kompleksu systemu okoBodobowego s jego ele- menty wykonawcze oraz odpowiednie szlaki, które przekazuj informacj chrono- biologiczn z gBównego zegara do tkanek i narzdów. U krgowców jednym z najlepiej poznanych elementów efektorowych kompleksu jest melatonina, bdca od wielu lat przedmiotem prowadzonych przez nas badaD. Melatonina powstaje w szyszynce, siat- kówce, gruczole Hardera, przewodzie pokarmowym i w szpiku kostnym. Melatonina zsyntetyzowana w szyszynce jest szybko, pulsacyjnie wydzielana do krwi i pBynu mózgo- wo-rdzeniowego; drog t dociera do narzdów i tkanek caBego organizmu, w których wywiera swoje dziaBania biologiczne. Z kolei melatonina pochodzenia siatkówkowego dziaBa miejscowo w obrbie oka. U przebadanych do tej pory gatunków zwierzt oraz u czBowieka nasilenie biosyntezy melatoniny w szyszynce i siatkówce ulega w cigu doby rytmicznym zmianom. Rytm ten ma charakter rytmu okoBodobowego, jest wytwarzany przez wewntrzny zegar biologiczny i zsynchronizowany z cyklicznie zmieniajcymi si w cigu doby warunkami o[wietlenia. Synteza melatoniny jest wysoka w nocy (u czBo- wieka maksymalny poziom melatoniny w osoczu wystpuje najcz[ciej w [rodku nocy, pomidzy godzin 2. a 4.) i niska w cigu dnia. Profil syntezy melatoniny w cigu doby jest bardzo zmienny osobniczo, ale powtarzalny u jednego osobnika w cigu kolejnych dni, i nale|y (obok rytmu aktywno[ci ruchowej) do najwyrazniejszych rytmów okoBo- dobowych. Melatonina pochodzenia jelitowego i szpikowego nie wykazuje natomiast rytmiki dobowej/okoBodobowej. Endogenny rytm biosyntezy melatoniny jest synchronizowany z rytmami [rodo- wiskowymi, a najwa|niejszym czynnikiem [rodowiska zewntrznego regulujcym syn- tez melatoniny jest [wiatBo. Nale|y podkre[li, |e najsilniejsze dziaBanie wywiera [wiat- Bo niebieskie, które jest odbierane gBównie przez melanopsyn. Przeprowadzone przez Rytmy biologiczne  uniwersalny system odczytywania czasu 133 nas badania wykazaBy, |e tak|e promieniowanie z zakresu bliskiego nadfioletu reguluje okoBodobowy rytm melatoniny. ZwiatBo nie tylko hamuje biosyntez melatoniny (ostre dziaBanie supresyjne), ale wpBywajc na zegar biologiczny sterujcy okoBodobowym ryt- mem produkcji hormonu, mo|e tak|e przesuwa fazy tego rytmu. Znajomo[ regulacji przez [wiatBo rytmów biologicznych, w tym rytmu melatoniny, oraz wiedza na temat udziaBu melatoniny w pracy systemu okoBodobowego pozwoliBa na opracowanie nowych strategii leczenia chronobiologicznych zaburzeD snu. Z dobro- dziejstw tej terapii korzystaj pracownicy zmianowi i stacji polarnych, osoby o patolo- gicznie  sowim chronotypie, pasa|erowie lotów transkontynentalnych oraz osoby nie- widome, u których melatonina stosowana o odpowiedniej porze koryguje ustawienia wskazówek zegara biologicznego. Literatura Roenneberg T., Wirz-Justice A.. Merrow M (2003) Life between clocks  daily temporal patterns of human chronotypes.  J. Biol. Rhythms 18: 80-90. Zawilska J.B., Czarnecka K. (2006) Melanopsyna  nowo odkryty chronobiologiczny receptor [wiatBa.  Post. Biologii Komórki 33: 229-246. Zawilska J.B., Nowak J.Z. (2002) Rytmika okoBodobowa i zegar biologiczny.  Sen 2: 127-136. Biological rhythms  an universal system for encoding the time information The rhythmic structure of biological systems can be considered as one of the most fascinating adaptations to life on earth. A physiological significance and regulation of the two common bio- logical rhythms, annual and circadian, are discussed. Key words: biological rhythms, circadian clock, clock genes, melanopsin, melatonin

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
2 Rytmy biologiczne i praca zmianowa
STARZENIE SIĘ A RYTMY BIOLOGICZNE
biologiczne skutki promieniowania jonizujacego
Metody i techniki stosowane w biologii molekularnej
biologia pr odp
Baza do biologi 
Konepkt Biologia nauka o życiu kl 1
BIOLOGIA MOLEKULARNA
BIOLOGIA mutacje, klonowanie, rośliny i zwierzęta transgeniczne
biologia 2009 MAJ
!!biologia
2011 styczeń OKE Poznań biologia podstawowa arkusz
EnM Biologia komórki

więcej podobnych podstron