Ritmo circadiano

Un ritmo circadiano è un ciclo di circa 24 ore dei processi fisiologici degli esseri viventi, incluse piante, animali, funghi e cianobatteri. Il termine "circadiano", coniato da Franz Halberg, viene dal latino circa diem, "intorno" al giorno". Lo studio formale dei ritmi temporali biologici come i ritmi giornalieri, settimanali, stagionali ed annuali è chiamato cronobiologia.

In senso stretto, i ritmi circadiani sono endogeni benché possano essere modulati da stimoli esterni come la luce solare e la temperatura. La prima oscillazione endogena circadiana fu osservata nel 1700 dallo scienziato francese Jean-Jacques d'Ortous de Mairan che notò che i modelli di ventiquattro ore nei movimenti delle piante continuavano anche quando queste venivano isolate dagli stimoli esterni. I ritmi circadiani possono essere definiti da 2 criteri:

1. Il ritmo persiste in condizioni di deprivazione dello stimolo astronomico (per esempio buio costante).
2. Il ritmo può essere interrotto da un'esposizione alla luce o al buio.

Origine

Si pensa che i ritmi circadiani si siano originati nelle protocellule, con lo scopo di proteggere la replicazione del DNA dall'alta radiazione ultravioletta durante il giorno. Come risultato, la replicazione avveniva al buio. Il fungo Neurospora, che esiste ancora oggi, contiene questo meccanismo regolatore.

L'orologio circadiano più semplice conosciuto è quello del cianobatterio procariotico. Ricerche recenti hanno dimostrato che l'orologio circadiano del Synechococcus elongatus può essere ricostituito in vitro con appena tre proteine dell'oscillatore centrale. Questo orologio ha dimostrato di sostenere un ritmo di 22 ore per diversi giorni con addizione di ATP. Le precedenti spiegazioni di questo misuratore del tempo circadiano procariotico erano dipendenti dalla trascrizione del DNA / traduzione del meccanismo di feedback, e benché questo non sembra essere stato il caso, sembra essere vero per tutti gli organismi eucariotici. In verità, benché i sistemi circadiani degli eucarioti e procarioti abbiano la stessa architettura di base (un input - un oscillatore centrale - un output) non dividono la stessa omologia. Questo implica probabilmente origini indipendenti.

Il ritmo circadiano animale

I ritmi circadiani sono importanti per determinare i modelli di sonno e veglia di tutti gli animali, inclusi gli esseri umani. Vi sono chiari modelli dell'attività cerebrale, di produzione di ormoni, di rigenerazione cellulare e altre attività biologiche collegate a questo ciclo giornaliero.

Il ritmo è collegato al ciclo luce-buio. Animali tenuti in totale oscurità per lunghi periodi funzionano con un ritmo che si "regola liberamente". Ogni "giorno" il loro ciclo di sonno avanza o regredisce a seconda che il loro periodo endogeno sia più lungo o più corto di 24 ore. Gli stimoli ambientali che ogni giorno resettano i ritmi sono chiamati Zeitgebers (tedesco, letteralmente significa: "donatori di tempo"). È interessante notare che mammiferi totalmente sotterranei (come il topo-talpa cieco Spalax) sono capaci di mantenere il loro orologio interno in assenza di stimoli esterni.

In esseri umani che si sono volontariamente isolati in grotte e senza stimoli esterni si è notato che il ritmo circadiano sonno-veglia tende progressivamente ad allungarsi, sino ad arrivare a "giornate" di 36 ore. Fondamentale come regolatore dell'orologio interno appare quindi il ruolo della luce solare.

L'"orologio circadiano" "clock" nei mammiferi è collocato nel nucleo soprachiasmatico (SCN), un gruppo definito di cellule situato nell'ipotalamo. La distruzione dell'SCN causa la completa assenza di un regolare ritmo sonno/veglia. L'SCN riceve informazioni sull'illuminazione attraverso gli occhi. La retina degli occhi non contiene solo i "classici" fotoricettori, ma anche cellule gangleari retinali fotosensibili. Queste cellule, che contengono un pigmento chiamato melanopsina, seguono un tragitto chiamato tratto retinoipotalamico, che collega all'SCN. È interessante notare che, se le cellule provenienti dall'SCN sono rimosse e coltivate in laboratorio, mantengono il loro ritmo in assenza di stimoli esterni.

Sembra che l'SCN prenda le informazioni sulla durata del giorno dalla retina, le interpreta, e le invia alla ghiandola pineale (una struttura delle dimensioni di un pisello situata nell'ipotalamo), la quale secerne l'ormone melatonina in risposta allo stimolo. Il picco di secrezione della melatonina si raggiunge durante la notte.

Le piante sono organismi sensili, e perciò sono strettamente legate con l'ambiente circostante. L'abilità di sincronizzarsi con i cambiamenti giornalieri della temperatura e della luce sono di grande vantaggio per le piante. Per esempio, il ciclo circadiano esercita un contributo essenziale per la fotosintesi, conseguentemente permette di aumentare la crescita e la sopravvivenza delle piante stesse.

La luce e l'orologio biologico

L'abilità della luce di azzerare l'orologio biologico dipende dalla phase response curve (alla luce). Dipendentemente dalla fase del sonno, la luce può avanzare o ritardare il ritmo circadiano. L'illuminazione richiesta varia da specie a specie: nei roditori notturni, ad esempio, è sufficiente un livello di luce molto inferiore rispetto all'uomo per l'azzeramento dell'orologio biologico.

Oltre all'intensità della luce, la lunghezza d'onda (o colore) della luce è un importante fattore per la determinazione del grado a cui l'orologio è azzerato. La melanopsina è eccitato più efficacemente dalla luce blu (420-440 nm).

Voci correlate

• Cronobiologia

Bibliografia

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Collegamenti esterni

• www.circadian.org
• Halberg Chronobiology Center Franz Halberg coined the word circadian.
• Biological Clocks A description of circadian rhythms in plants by de Mairan, Linnaeus, and Darwin
• 2006-01-18 The University of Texas Health Science Center at Houston Darkness Unveils Vital Metabolic Fuel Switch Between Sugar and Fat
• Artificial Light Resets Natural Clock
• Circadian clocks go in vitro: purely post-translational oscillators in cyanobacteria
• Time for bed, said the adrenal clock