Ritmo circadiano

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Ilustraciones de la expresión del ritmo circadiano y los ritmos biológicos en los seres humanos

En la biología, los ritmos circadianos (del latín circa, que significa 'alrededor de' y dies, que significa 'día') o ritmos biológicos son oscilaciones de las variables biológicas en intervalos regulares de tiempo.

Todos los animales, las plantas y probablemente todos los organismos muestran algún tipo de variación rítmica fisiológica (tasa metabólica, producción de calor, floración, etc.) que suele estar asociada con un cambio ambiental rítmico. En todos los organismos eucariotas así como muchos procariotas se han documentado diferentes ritmos con períodos que van desde fracciones de segundo hasta años. Si bien son modificables por señales exógenas, estos ritmos persisten en condiciones de laboratorio, aun sin estímulos externos.[1]

Características[editar]

Los ritmos biológicos se han clasificado de acuerdo con su frecuencia y su periodo. Los ciclos circadianos han sido los más estudiados y su valor de periodo les permite sincronizar a los ritmos ambientales que posean un valor de periodo entre 20 y 28 horas, como son los ciclos de luz y de temperatura. Los ritmos circadianos son endógenos y establecen una relación de fase estable con estos ciclos externos alargando o acortando su valor de periodo e igualándolo al del ciclo ambiental. Poseen las siguientes características:

  • Son endógenos, y persisten sin la presencia de claves temporales.
  • En condiciones constantes se presenta una oscilación espontánea con un periodo cercano a las 24 horas (de ahí el nombre circadianos).
  • La longitud del periodo en oscilación espontánea se modifica ligeramente o prácticamente nada al variar la temperatura, es decir, poseen mecanismos de compensación de temperatura.
  • Son susceptibles de sincronizar a los ritmos ambientales que posean un valor de periodo aproximado de 24 horas, como los ciclos de luz y de temperatura.
  • El ritmo se desorganiza bajo ciertas condiciones ambientales como luz brillante.
  • En oscilación libre o espontánea, generalmente el período para especies diurnas es mayor de 24 horas y para especies nocturnas el período es menor a las 24 horas (ley de Aschoff), aunque tiene más excepciones que ejemplos que cumplen la regla.

Al cambio cíclico ambiental que es capaz de sincronizar un ritmo endógeno se le denomina sincronizador o Zeitgeber (el término equivalente en alemán).

Los ritmos circadianos son regulados por relojes circadianos, estructuras cuya complejidad varía según el organismo que corresponda.

Historia[editar]

El conocimiento de la periodicidad de los fenómenos naturales y ambientales de los ritmos circadianos datan de épocas muy primitivas de la historia de la humanidad, y el tiempo y la variación periódica de los fenómenos biológicos en la salud y en la enfermedad ocupaban un lugar muy importante en las doctrinas de los médicos de la antigüedad. Estos conceptos fueron recogidos y ampliados con observaciones propias de los naturalistas griegos. Así, por ejemplo, Aristóteles, y más tarde Galeno, escriben sobre la periodicidad del sueño, centrándola en el corazón el primero y en el cerebro el segundo. Hechos como la floración de las plantas, la reproducción estacional de los animales, la migración de las aves, la hibernación de algunos mamíferos y reptiles, fenómenos todos ellos cotidianos para el hombre, fueron inicialmente considerados como simples consecuencias de la acción de factores externos y astronómicos. De acuerdo con esta opinión, que permaneció durante siglos, el medio ambiente imponía su rutina a los seres vivos.

No fue sino hasta hace 250 años cuando el astrónomo francés Jean de Mairan, usando una planta heliotrópica, realizó el primer experimento que cambiaría las teorías que afirmaban que los ritmos circadianos eran meras respuestas pasivas al ambiente y sugiriendo su localización endógena. En 1832, Agustín de Candolle añade una segunda evidencia de la naturaleza endógena de los ritmos biológicos, cuando demuestra que bajo condiciones constantes el período de los ciclos de los movimientos de las plantas duraba unas 24 horas.

A finales del siglo XIX, Aschoff, Wever y Siffre desarrollaron las primeras investigaciones en sujetos humanos y aparecieron las primeras descripciones sobre los ritmos diarios de temperatura en trabajadores a turnos o en soldados durante las guardias nocturnas.

Sin embargo, si bien desde hace más de dos siglos se conocen los ritmos circadianos, no es hasta la década de los años 1960 que se acuña el término circadiano, por el Prof. Dr. Franz Halberg,[2] a partir de los términos circa (lat., “alrededor”) y diem (lat., “día”). Fue además el principal impulsor de la cronobiología o estudio formal de los ritmos biológicos temporales tanto diurnos y semanales como anuales.

Orígenes[editar]

Los ritmos circadianos se habrían originado en las células más primitivas con el propósito de proteger la replicación del ADN de la alta radiación ultravioleta durante el día. Como resultado de esto, la replicación de ADN se relegó al período nocturno. El hongo Neurospora mantiene este mecanismo circadiano de replicación de su material genético.

El reloj circadiano más simple del que se tiene conocimiento es el de las cyanobacterias. Se ha demostrado que el reloj circadiano del Synechococcus elongatus puede ser reconstruido in vitro con el ensamblaje de solo tres proteínas, funcionando con un ritmo de 22 horas durante varios días, sólo con la adición de ATP[cita requerida].

Si bien el funcionamiento del ciclo circadiano de estos procariotas no depende de mecanismos de retroalimentación de transcripción/traducción de ADN, para los seres eucariotas sí sería esta última la manera de regular sus ritmos circadianos. De hecho, aunque los ciclos de eucariontes y procariontes comparten la arquitectura básica (señal de entrada - oscilador interno - señal de salida), no comparten ninguna otra similitud, por lo que se postulan diferentes orígenes para ambos.[3]

Ritmos circadianos animales[editar]

Los ritmos circadianos son importantes no solo para determinar los patrones de sueño y alimentación de los animales, sino también para la actividad de todos los ejes hormonales, la regeneración celular, y la actividad cerebral, entre otras funciones.

El núcleo supraquiasmático[editar]

El reloj circadiano en los mamíferos se localiza en el núcleo supraquiasmático (NSQ), un grupo de neuronas del hipotálamo medial. La destrucción de esta estructura lleva a la ausencia completa de ritmos circadianos. Por otra parte, si las células del NSQ se cultivan in vitro, mantienen su propio ritmo en ausencia de señales externas. De acuerdo esto, se puede establecer que el NSQ conforma el "reloj interno" que regula los ritmos circadianos.

La actividad del NSQ es modulada por factores externos, fundamentalmente la variación de luz. El NSQ recibe información sobre la luz externa a través de los ojos. La retina contiene no sólo fotorreceptores clásicos que nos permiten distinguir formas y colores. También posee células ganglionares con un pigmento llamado melanopsina, las que a través del tracto retinohipotalámico llevan información al NSQ. El NSQ toma esta información sobre el ciclo luz/oscuridad externo, la interpreta, y la envía a la epífisis o glándula pineal. Esta última secreta la hormona melatonina en respuesta al estímulo proveniente de el NSQ, si éste no ha sido suprimido por la presencia de luz brillante. La secreción de melatonina pues, es baja durante el día y aumenta durante la noche.[4] [5]

Hormonas afectadas por el ciclo circadiano[editar]

Existe una serie de procesos biológicos que están subordinados al ciclo circadiano. Entre ellos podemos citar la enzima hexokinasa, la regeneración del epitelio intestinal y la producción de una serie de hormonas como son:

  • ACTH: hormona adenocorticotrópica
  • Cortisol[6]
  • TSH: hormona estimulante de la tiroides
  • FSH hormona foliculoestimulante
  • LH: hormona luteinizante
  • Estradiol
  • Renina
  • Un péptido natriurético altamente útil en determinación de infartos, hipertensión y fallo renal.

Además, se considera que el ciclo circadiano cambia según estaciones (ritmos circanuales) y que las concentraciones de hormonas en sangre varían, según otros factores, como la edad o el estado de salud.

También se sabe que existen retrasos en el ciclo biológico femenino; un retraso del estradiol de un día si hay un traslado de una región de alta presión a baja presión y de baja temperatura a alta temperatura.

Más allá del "reloj maestro"[editar]

Recientemente, se ha postulado que muchas células no nerviosas poseen también ritmos circadianos, y comparten con el NSQ la maquinaria molecular circadiana (genes reloj[7] ). Por ejemplo, las células hepáticas responden a los ciclos alimentarios más que a la luz. Este y otros tipos celulares que tienen sus propios ritmos se llaman osciladores periféricos (siempre subordinados al núcleo supraquiasmatico). Estos tejidos incluyen: el esófago, pulmones, hígado, bazo, timo, células sanguíneas, células dérmicas, glándula suprarrenal[8] entre otras. Incluso el bulbo olfatorio y la próstata experimentarían oscilaciones rítmicas en cultivos in vitro, lo que sugiere que también serían osciladores periféricos en una forma débil. Los osciladores periféricos (relojes periféricos) son sincronizados principalmente por la luz (vía NSQ), pero la hora de alimentación o los glucocorticoides (7) como el cortisol también son señales sincronizadoras menos potentes que la luz, pero igual de efectivas.

Interrupción de ritmos circadianos[editar]

La alteración en la secuencia u orden de estos ritmos tiene un efecto negativo a corto plazo. Muchos viajeros han experimentado el jet lag, con sus síntomas de fatiga, desorientación e insomnio. Además del alcohol, algunos desórdenes psiquiátricos y neurológicos, como el trastorno bipolar y algunos desórdenes del sueño, se asocian a funcionamientos irregulares de los ritmos circadianos en general, no sólo del ciclo sueño-vigilia. Se ha sugerido que las alteraciones de ritmos circadianos en el trastorno bipolar son afectadas positivamente por el tratamiento clásico de este trastorno, el litio.[9]

La alteración de los ritmos circadianos a largo plazo tendría consecuencias adversas en múltiples sistemas, particularmente en el desarrollo de exacerbaciones de enfermedades cardiovasculares.

La periodicidad de algunos tratamientos, en coordinación con el reloj corporal, podría aumentar la eficacia y disminuir las reacciones adversas en forma significativa. Por ejemplo, se ha demostrado que el tratamiento coordinado con inhibidores de la enzima convertidora de angiotensina (IECAs) reduce, en forma más marcada que el tratamiento no coordinado con el mismo fármaco, los parámetros de presión arterial nocturna.

Control celular del ciclo circadiano[editar]

Se ha señado que las modificaciones postraduccionales en las histonas (el llamado código de las histonas) sería responsable en parte de la regulación celular de los ciclos circadianos.[10] [11]

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. Golombek, D.A. (editor) (2002). «El ciclo sueño vigilia». Cronobiología humana. Buenos Aires: Editorial Universidad de Quilmes. 
  2. http://www.msi.umn.edu/~halberg Halberg Chronobiology Center
  3. Moore, R.Y. (1982) Trends in Neurosciences
  4. Uz T, Akhisaroglu M, Ahmed R, Manev H (2003). «The pineal gland is critical for circadian Period1 expression in the striatum and for circadian cocaine sensitization in mice». Neuropsychopharmacology 28 (12):  pp. 2117-23. PMID 12865893. 
  5. Newman LA, Walker MT, Brown RL, Cronin TW, Robinson PR: "Melanopsin forms a functional short-wavelength photopigment", Biochemistry. 2003 Nov 11;42(44):12734-8.
  6. Torres-Farfan C, Valenzuela FJ, Ebensperger R, Méndez N, Campino C, Richter HG, Valenzuela GJ, Serón-Ferré M.Circadian cortisol secretion and circadian adrenal responses to ACTH are maintained in dexamethasone suppressed capuchin monkeys. Am J Primatol. 2008 Jan;70(1):93-100. PMID: 17620278 http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ajp.20461/abstract;jsessionid=5F970DE287109EB3794EA77AD0EEE388.d01t02
  7. Richter HG, Torres-Farfán C, Rojas-García PP, Campino C, Torrealba F, Serón-Ferré M.The circadian timing system: making sense of day/night gene expression. Biol Res. 2004;37(1):11-28.
  8. Valenzuela FJ, Torres-Farfan C, Richter HG, Méndez N, Campino C, Torrealba F, Valenzuela GJ, Serón-Ferré M. Clock gene expression in adult primate suprachiasmatic nuclei and adrenal: is the adrenal a peripheral clock responsive to melatonin?. Endocrinology. 2008 Apr;149(4):1454-61. Epub 2008 Jan 10. PMID: 18187542
  9. «Lithium Blocks Enzyme To Help Cells’ Clocks Keep On Tickin’» (17/02/2006). Consultado el 09/02/2008.
  10. Brown, S. A. (29-09-2011). «A New Histone Code for Clocks?». Science 333:  pp. 1833-1834. doi:10.1126/science.1212842. ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203. http://www.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.1212842. 
  11. DiTacchio, L.; H. D. Le, C. Vollmers, M. Hatori, M. Witcher, J. Secombe, S. Panda (29-09-2011). «Histone Lysine Demethylase JARID1a Activates CLOCK-BMAL1 and Influences the Circadian Clock». Science 333:  pp. 1881-1885. doi:10.1126/science.1206022. ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203. http://www.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.1206022.