INTERESADOS EN CRONOBIOLOGIA

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CRONOBIOLOGIA: EL RELOJ HUMANO
Desde su inicio en las investigaciones, la cronobiología, que es el estudio de ritmos biológicos, se ha establecido como un verdadero campo científico interdisciplinario dentro de la biología.
La mayoría de los cronobiologístas estudian lo que se denominan como Ritmos Circadianos, que son ciclos endógenos del comportamiento o actividad biológica con un período de 24 horas.
De esta manera a modo de ejemplo, tenemos, los seres humanos presentan un ciclo de sueño/despertar durante el periodo de un día.
Los ritmos circadianos, como dormir-despertar, son generados por un reloj interno que se sincroniza a su vez, a los ciclos luz-obscuridad en el ambiente y otras señales diarias.
Los ritmos circadianos se trazan con frecuencia en un actograma. Una exposición a la luz brillante, por ejemplo puede causar un desplazamiento de fase en relación a la coordinación, entre los elementos luz-obscuridad.
Tenemos que recordar que durante millones de años, el ser humano ha estado regido por los ciclos de días o luz, y noches o en este caso la obscuridad, así también sus hormonas se han adaptado a esta actividad cíclica.
Como un reloj, el reloj circadiano se debe sincronizar al tiempo local. Por ejemplo, los animales mantenidos oscuridad total mostrarán un ritmo corriente libre que sea independiente del tiempo local.
Un reloj circadiano es el más útil, sin embargo, cuando se fija al tiempo local; el animal debe estar en sincronización con su presa y con otros miembros de su grupo social para sobrevivir.
En mamíferos, el ciclo luz-obscuridad es un sincronizador importante o agente del arrastre para ritmos circadianos.
Nos preguntamos en seguida, Dónde está el reloj?
El reloj biológico en seres humanos está situado en el núcleo supraquiasmático, un grupo distinto de células encontradas dentro del hipotálamo en el sistema nervioso central, este sistema es solamente una porción del mecanismo por el cual el " tiempo " es guardado.
Hay los receptores ligeros encontrados en la retina del ojo, que tienen un camino, llamada la zona retinohipotalámica, conduciendo al encéfalo.
La glándula pineal es como una habichuela y se encuentra en el cerebro, detrás del hipotálamo en los seres humanos.

La glándula pineal recibe la información indirectamente del cerebro. De esta manera, parece que el encéfalo toma la información sobre longitud del día de la retina, la interpreta, y la pasa a la glándula pineal, que secreta la hormona melatonina en respuesta a este mensaje.
La obscuridad de la noche hace que la secreción de melatonina se incremente, mientras que la luz solar la inhibe
El papel de la melatonina en los seres humanos no se entiende completamente y se está investigando, se plantea que desempeña un papel en fotoperiodismo estacional, en la crianza de los mamíferos.
Se conoce ya que el cerebro tiene receptores hormonales para la melatonina.
En consecuencia, el Sistema Nervioso Central también desempeña un papel en el sistema circadiano accionando una respuesta del aparato neuroendócrino en el hipotálamo, que entonces actúa en la glándula pituitaria.
Estas vías influencian a otras áreas del organismo, incluyendo las áreas endocrinas, inmunológicas, así como en las cardiovasculares, y urinarias.
Los ritmos en la mayoría de estos sistemas tienen una forma de onda simple similar a la de la temperatura del cuerpo, que es la más alta por la tarde temprana y lo más bajo posible antes de despertar por la mañana.
La actividad del sistema inmunológico, según lo representado por el número de linfocitos, que son glóbulos blancos de la sangre, también se parece incrementar por la tarde y es la más baja algunas horas después del pico de la hormona cortisol en horas de la mañana.
La sincronización de las funciones endocrinas y de los sistemas inmunes es clara. Es conocido que las hormonas aldosterona y cortisol, suprimen el sistema inmune, mientras que la melatonina lo incrementa.
En relación al ciclo de vigilia- sueño, tenemos que preguntarnos: Qué tienen en campo común? Todos estos problemas resultan de interrupciones del reloj biológico: por ejemplo, la abuela se va a dormir a las 7 de la noche y despierta a las 3 de la mañana; el bebé recién nacido mantiene a sus padres despiertos, nunca duerme en un horario.

Además podemos citar en relación al tiempo que ciertos tipos de medicamentos se deben tomar en una hora específica o pudieran ser mortales; y la sensación de desorientación de los viajeros en avión, son ejemplos.
Cada uno de nosotros que somos padres, si sabemos que raramente están los niños acordes con el resto de la familia. En los infantes, el ciclo dormir-despertar es casi al azar, de manera inicial, pero ya cerca de las 6 semanas de edad, en el niño ya se hacen presente los ritmos circadianos, y a las 16 semanas para tranquilidad de la familia, estos ritmos se inician formalmente.
Los infantes, en hecho, tienen un ciclo circadiano endógeno dormir-despiertar, y las señales sociales , como el horario de sus padres controlan directamente su comportamiento.
Muchos investigadores han estudiado el ciclo humano de sueño-vigilia. Uno del más intrigante, quizás, era el de Michael Siffre que pasó 6 meses solo en una cueva, si ver la luz del sol.
Una situación interesante en la curva del ser humano, en lo referente al dormir-despertar , es un período del sueño del día llamado una siesta. Aunque los hábitos napping varían a través de culturas, la investigación muestra que la siesta o napping es una característica común del comportamiento circadiano del adulto sano, incluso aunque no haya ocurrido en una deuda de sueño el día anterior.
Una pregunta obligada es, porqué todos no requerimos siestas. Al parecer, la siesta puede ser suprimida fácilmente (por ejemplo cuando uno está en el trabajo) porque las siestas " tienden para ocurrir como acontecimientos transitorios en una función circadiana .
En 1994, Aschoff descubrió que ni la duración del sueño principal ni el ciclo circadiano es afectado por la siesta.
Un aspecto interesante del reloj biológico, es el reloj de la tercera edad. Cualquier persona que ha tenido incluso un combate ocasional con insomnio sabe que puede afectar el funcionamiento del día próximo. Los envejecientes mayores de 65 años parecen ser propensos a los desórdenes del ritmo del sueño.
Actualmente la mitad de las personas mayores en estados Unidos, se quejan de los problemas para conciliar el sueño. En consecuencia casi la mitad de las prescripciones médicas contra el insomnio, son para las personas senectas.

Los problemas incluyen: menos sueño diario del total; se desvelan más frecuentemente y durante más tiempo, en la noche; un desplazamiento de las fases que los hace irse a la cama temprano, levantarse teemprano (síndrome avanzado de la fase del sueño); y más y siestas más largas del día
El porqué los ancianos tienen problemas para dormir, es otro tema de interés. Las razones pueden incluir medicamentos, problemas físicos, la configuración social que predomine, y las condiciones psicológicas.
En estudios de la gente añosa, pero en salud, los científicos han mostrado que algunos ritmos circadianos parecen ser interrumpidos por la edad provecta.
Por ejemplo, las amplitudes de la temperatura del cuerpo y de los ritmos de la producción del melatonina disminuyen con edad, y la producción de la insulina se incrementa.

Por qué los ritmos circadianos se interrumpen en los ancianos? Una razón posible es que los seres humanos que ya tienen 80 años o más, concluido 80 años o más tienden para tener pocas neuronas del sistema nervioso central.
Fuenter. Rafael Bello Díaz



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Fotoperiodismo

Puede definirse como las respuestas a la longitud del día que permiten a los organismos adaptarse a cambios estacionales en su ambiente. Estas respuestas les confieren ventajas selectivas a los organismos puesto que pueden ser empleadas como medios de anticipación, y por lo tanto para prevenir los efectos adversos de un ambiente particular de alguna estación o prepararse para aprovechar ciertas características ambientales estacionales. La habilidad de los organismos para medir el tiempo con alto grado de precisión se ha establecido como una de los factores principales en la regulación de conductas y eventos fisiológicos tanto en plantas como en animales aunque es solo uno de los ejemplos de la medición de tiempo en sistemas biológicos.
El fotoperiodismo involucra el acoplamiento de la capacidad de percibir la longitud de las horas de luz con un número de procesos biológicos. Cada vez resulta más claro que los procesos de mantenimiento temporal fotoperiódico están basados en un oscilador (u osciladores) circadiano, y están acoplados a ritmos en la sensibilidad de luz para dar forma a los mecanismos de detección del largo del día. En plantas se presentan dos mecanismos diferentes de percepción de la longitud del día. El primero es un mecanismo dominante en la oscuridad, cuya respuesta está determinada principalmente por la longitud del período de oscuridad y las condiciones del período luminoso no son importantes. El segundo es un mecanismo dominante en la luz, donde la respuesta es a la cantidad de luz en un fotoperiodo determinado y tiene requerimientos especiales de propiedades espectrales, como alta irradiancia en la banda del rojo lejano. También en plantas, los fotorreceptores más importantes de la longitud del día son los fitocromos, que consisten en una familia de moléculas con diversas funciones. En animales, la melatonina se ha señalado como la molécula con el papel más importante en el control fotoperiódico.

EFECTOS FISIOLÓGICOS DE LA LUZ


Rayos Cósmicos:
Hasta 1.4ºA

Rayos X:
0.6-1019ºA. Una dosis segura es una exposición de 5 roetgens por año.

Ultravioleta:
40.3-3900ºA. Solo una pequeña parte entra a la atmósfera:
-Lejana: 1850-2800 ºA. Produce ozono, germicida a 2537ºA
-Onda media 2800-3200 ºA. Produce Vitamina D bornceado máximo a 2967ºA
-Cercana: 3200-3900 ºA. Son las luces de fondo (fluorescente) con máximo a 3660ºA

Luz visible:
3900-7700ºA. 4000ºA es la menor longitud de onda precibida por el ojo humano. Transfiere energía a átomos. Cambia viscosidad protoplasmática, causa fototropismos, comportamiento coloidal de proteínas y proporciona energía para la fotosíntesis. Estimula tejido especial (fotoreceptores) que la traducen en visión. Participa en la fotorecuperación de microorganismos
Actúa en áreas hipotalámicas para:
1.Controlar color de piel de anfibios y peces
2.Controla o induce ritmos de 24 h en plantas y animales
3.Induce cambios bioquímicos y conductuales (fotoperiodismo) en plantas y animales.

Infraroja:
7700-4*106, solo una pequeña banda entra a la atmósfera. La piel humana refleja el 43% y absorbe el 57% de la radiación solar. Las ondas largas, casi totalmente absorbida en la superficie de la piel.

Ondas Hertzianas y Ondas de Radio::
1*106-3*10. Penetra a la atmósfera fácilmente. No hay efectos fisiológicos conocidos.

Bibliografia
Folk, E. 1974. Textbook of environmental physiology. Lea&Febiger. 463 pp

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El cuerpo y los ritmos naturales
Reloj, no marques las horas
La expresión reloj biológico se utiliza normalmente para designar las funciones fisiológicas que en el cuerpo humano –y, según se ha comprobado recientemente, en otros animales– regulan las jornadas.
Por Martín De Ambrosio
Existe la tendencia –errónea por anacronismo– a utilizar metáforas tecnológicas para hablar del cuerpo humano o de la naturaleza. Así, cuando una persona tiene problemas cerebrales es porque “le falla el hardware”. Cuando se trata de grandes deportistas, sobre todo de los velocistas, se dice que “son unas máquinas”. De la misma manera, se utiliza la expresión reloj biológico para designar las funciones fisiológicas que en el cuerpo humano –y, según se ha comprobado recientemente, en otros animales– regulan las jornadas. Con esta metáfora se intenta comprender un mecanismo que ordena la vida de los organismos vivientes en pequeños segmentos que tienden a repetirse de la misma manera durante toda la existencia.
Cuando el reloj atrasa
El caso más común en que se hace patente la adaptación a un jornada limitada es en los viajes. Las tecnologías de transportes le permiten al hombre, entre otras cosas, dar enormes saltos en relación a la normalidad de la vida en su medio ambiente. De esta manera el viajero sigue, por un tiempo, viviendo con el régimen de su lugar aun cuando en el lugar visitado la cantidad de luz sea distinta. Si el viaje es hacia los antípodas, el sufrimiento es tanto mayor. Por suerte, los organismos pueden adaptarse, aunque el esfuerzo suele ser grande.
En los mamíferos, el reloj que maneja los ciclos de actividad, conocido como ritmo circadiano –del latín circa y dia–, reside en una parte del cerebro conocida como núcleo supraquiasmático (NSQ), un grupo de células nerviosas del hipotálamo, en la base del cerebro. Pero las células de todo el cuerpo también tienen su propia regulación. Según pruebas de laboratorio, el reloj biológico no necesariamente depende del ciclo de 24 horas de luz y oscuridad: los ritmos de actividad son innatos y autosustentados. Quiere decir que pueden persistir en un medio con ausencia de los ciclos nocturnos-diurnos.
En la década del 60, Jürgen Aschoff mostró que voluntarios que vivían en un bunker aislado, sin luz natural, ni relojes, ni nada que indicara el paso del tiempo, igualmente mantenían un ciclo de vida de 25 horas aproximadamente.
El ciclo humano del dormir-despertar es de un día o, dicho de otro modo, se completa un ciclo por día. Así, el ritmo circadiano es generado por un mecanismo interno sincronizado a los ciclo de luz y oscuridad en el medio ambiente. Sin embargo, agentes externos pueden ocasionar cambios, de igual manera que los cambios que podrían llamarse culturales (los relativos a las costumbres de los grupos humanos).
Tic-tac
El reloj se localiza en el NSQ, pero éste es sólo el lugar donde el tiempo se almacena –si es que es posible tan extravagante cosa–, ya que existen receptores de luz en la retina que envían la información al NSQ. También la glándula pineal recibe información indirectamente del NSQ. Según parece, el NSQ toma la información solar que la retina le envió en el día, la interpreta y la envía a la glándula pineal que segrega la melatonina en respuesta. La luz que golpea el ojo causa la detención de la producción de esa hormona tan promocionada que tiene un importante rol para inducir el sueño. La señal que reduce la secreción de melatonina es transportada de la retina a través del nervio óptico al NSQ. Durante la noche, el cuerpo produce melatonina, en tanto la luz del día inhibe el proceso. Aun cuando no hay luz diurna, la melatonina sigue produciéndose en un ciclo que tiende a ser regular. Si el NSQ es destruido el ciclo desaparece completamente. El NSQ también tiene un importante rol al influir en otras partes del cuerpo, incluyendo los sistemas endocrino, inmunológico, cardiovascular y urinario.
Tu también, mosca de la fruta
Muchas de las investigaciones sobre el reloj biológico de los animales han enfocado sobre el cerebro, pero no es éste el único órgano con esa función. Jadwiga Giebultowicz, de la Universidad de Oregon, Estados Unidos, identificó las proteínas que son el componente clave del reloj biológico en la mosca de la fruta. También observó que estas proteínas son producidas de acuerdo al ciclo circadiano: aumenta de noche y cae durante el día. El ciclo persiste incluso cuando la mosca es decapitada, lo que hace descartar la posibilidad de que el cerebro maneje todo el sistema. Por su parte, Steve Kay del Scripps Research Institute de California, descubrió evidencias del reloj biológico en las alas, las patas, la boca y las antenas de la mosca de la fruta. Cada parte tiene un fotorreceptor independiente que continúa funcionando y respondiendo a los estímulos de la luz aun cuando se disecciona el insecto.
Y no es la excepción: Ueli Schibler, de la Universidad de Ginebra, en Suiza, demostró la existencia del mecanismo, también dependiente del ritmo circadiano, en las ratas. Michael Young, del Laboratorio de Genética de la Universidad Rockefeller, realizó un experimento para identificar los genes y determinar las proteínas que codifican otras proteínas para que sirvan como blanco de terapias para un amplio tipo de desórdenes, desde los problemas de insomnio hasta las depresiones ocasionales.
Imitaciones
Se ha dicho que el arte imita a la naturaleza, aunque algunas corrientes artísticas modernas desdeñaron el representacionismo. En vista de las investigaciones sobre el reloj biológico, se podría decir que es la tecnología la que imita a la naturaleza. Y por cierto que éste no es el único caso
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Biología molecular de los ritmos circadianos
Emma Díez Sánchez
El mundo biológico no es estático, todos conocemos cambios que se producen en nuestro entorno, algunos de ellos son predecibles en el curso del día y de la noche. Por lo tanto habrá una ventaja selectiva para aquellos organismos que se anticipen a los cambios adecuando su fisiología y comportamiento. La anticipación a los ciclos diarios viene dada por relojes biológicos con un periodo intrínseco de un día. (circadiano). Es una propiedad fundamental de la vida, ubicua, lo cual da muchas perspectivas distintas de estudio.
En su entorno natural las plantas, hongos y animales tienen un ritmo metabólico, fisiológico y de comportamiento con un tiempo característico dia-noche. Por ejemplo, nuestro cerebro y nuestro músculo esquelético tienen el máximo rendimiento durante el día, mientras que se facilita el crecimiento y la reparación de los huesos durante el sueño nocturno. En plantas superiores se prepara el aparato fotosintético durante las horas antes del amanecer para sacar el máximo provecho a la luz del sol.
Los ritmos deben ser generados y mantenidos de alguna manera. Una observación crítica es que cuando personas, plantas u hongos son mantenidos bajo condiciones constantes, sus ritmos no se paran y desorganizan, muchos de ellos persisten con un periodo que se desvía sólo ligeramente de las 24 horas, se dice que entran en deriva; además se defienden de cambios en la temperatura a diferencia de otras funciones metabólicas. Esto indica que existe un mecanismo interno que determina los cambios fisiológicos, aunque no se reciban estímulos desde el exterior. Esta es la condición indispensable que nos define un ritmo biológico circadiano: son ritmos con un periodo aproximado de 24 horas que determinan cambios fisiológicos y de comportamiento y son endógenos o autosostenidos, es decir, pueden prescindir de entradas exteriores de información. Esto último es lo que los diferencia de simples procesos de estímulo-respuesta.
Sin embargo estímulos "equivocados", o mejor dicho a destiempo, pueden alterar este ritmo intrínseco; por eso para ser efectivos, los relojes biológicos deben estar sincronizados con el ciclo solar de luz-oscuridad: la luz brillante presentada a individuos en deriva mantenidos en luz tenue u oscuridad puede cambiar sus ritmos; la magnitud y dirección del cambio depende de en que momento del ciclo se dio luz. La luz mandada durante el "día subjetivo" (es decir, cuando el individuo se comporta como si fuera de día) no tiene mucho efecto. En cambio un estímulo a destiempo como la luz que se aplica al comienzo de una "noche subjetiva" retrasará el reloj, en cambio si se aplica al final de la misma lo adelantará.
La curva de respuesta de fases es la huella dactilar del reloj biológico. La curva general de respuesta a la luz es constante en las especies, diferencias en la amplitud de los cambios varía entre especies y con las condiciones experimentales. [Current Biology, Vol 7 Nº11].
IDENTIFICANDO RELOJES
Se han hecho numerosas aproximaciones para localizarlos:
· examen de tejidos aislados in vitro.
· efectos in vivo de extirpación local y estimulación.
· trasplante de supuestos tejidos reloj en sujetos arrítmicos.
La luz es una clave central para el funcionamiento de los relojes biológicos, no es de extrañar que en muchos animales estén asociados anatómicamente fotorreceptores y relojes. En moluscos, moscas, ranas y mamíferos los ojos contienen relojes endógenos; así como la glándula pineal, el "tercer ojo" de algunos vertebrados.
Pero en especies pluricelulares hay muchos otros tejidos que parecen tener sus propios relojes biológicos. Así como hay evidencias de ritmos circadianos en especies unicelulares de algas (Chlamydomonas).
En plantas superiores muchos tejidos son sensibles a la luz, pero actúan de manera local y coordinada. Por ejemplo los ritmos circadianos que mueven la hoja para que capte mejor la luz son regidos por células que hay en su base, mientras que las células estomáticas expresan un ritmo paralelo pero independiente.
En hongos todo el micelio puede ser rítmico.
En mamíferos el principal marcapasos está en el núcleo supraquiasmático del hipotálamo (10.000 neuronas). Este núcleo está regulado por un ciclo de luz-oscuridad, además de otros estímulos como por ejemplo reglas sociales.
MECANISMOS MOLECULARES
La existencia de ritmos circadianos se conoce desde 1729 cuando DeMarain los describió. A partir de ese momento se estudiaron sus propiedades fisiológicas, su localización anatómica, y su distribución en la biota. Pero sus mecanismos más profundos permanecen oscuros desde entonces.
En los últimos años se han hecho avances espectaculares especialmente en Drosophila melanogaster y en Neurospora crassa (dos clásicos en la investigación genética).
Hace 25 años se descubrieron tres mutantes del cromosoma X de Drosophila cuya característica era que tenían alterados los ritmos de actividad locomotora y de eclosión de la pupa, todos ellos presentaban mutado el mismo gen, que fue denominado "period" (per). Se podían distinguir tres mutaciones:
-perL: long period, alarga los periodos de los ritmos circadianos (28 h)
-perS: short period, disminuye los periodos (19 h)
-perO: elimina los ritmos circadianos
Estas tres mutaciones son puntuales, en ellas aparece cambiado un único aminoácido.
La clave de este reloj circadiano es que la proteína Per y su RNA mensajero tienen ritmos circadianos de expresión en el cerebro.
El ritmo de expresión del RNAm de per es dependiente de la proteína Per salvaje. Prueba de esto es que en los mutantes perO el RNAm no oscila, pero se observan oscilaciones cuando se introduce el gen salvaje. Además, modificaciones en las cantidades de proteína Per o RNAm introducen cambios en el reloj. Otro dato a favor de esta hipótesis es que la sobreexpresión constitutiva de per acaba con las fluctuaciones de los tránscritos en esas mismas células. Esto quiere decir que se precisa a la propia proteína Per para regular la expresión rítmica de su propio RNAm, estableciéndose un ciclo de feed-back negativo central para la regulación circadiana.
Recientes investigaciones han establecido que Neurospora tiene un feed-back regulatorio similar también implicado en su reloj circadiano, el gen implicado en este organismo se denomina "frecuency" (fre).
Sin embargo el mecanismo de feed-back negativo de la proteína Per sobre su propia transcripción no es suficiente para explicar los ritmos estables de expresión. Un sistema de feed-back negativo podría amortiguarse rápidamente hasta alcanzar un estado estacionario. Sí lo explicaría por un retraso en el proceso de feed-back o por un oscilador secundario.
Pues bien, existe un retraso de 6 horas en el sistema de retroalimentación, cuando la aparición de la proteína en el citoplasma se produce tan sólo una hora después de la transcripción del gen en el núcleo; esto indica algún tipo de control post-transcripcional. La existencia de componentes adicionales es también sugerida por la observación de que el RNAm de per se expresa en el cerebro y en el cuerpo de la mosca, pero en el cuerpo no oscila.
Datos recientes proponen un modelo en el cual la entrada de la proteína Per en el núcleo es controlada temporalmente, esto explicaría el retraso en la retroalimentación. [Current Biology 1996, Vol 6, Nº 3:244-246].
Se han empezado a describir un segundo componente del reloj circadiano : el gen "timeless" (tim). Los niveles del RNAm de tim oscilan en fase con los del RNAm de per. Ver figura 1.

Los ciclos de RNAm de tim cesan en mutantes perO, esto indica que se requiere la actuación de los dos genes para sustentar oscilaciones mutuas y para marcar los ritmos del comportamiento.
Las mutaciones de tim afectan al ciclo per en un nivel post-transcripcional.
Se han formulado varias hipótesis de funcionamiento, una de ellas viene explicada por la figura :

El ritmo de aparición del RNAm es dependiente de la proteína Per salvaje. La abundancia del RNAm del gen perO (mutado) no oscila [Current Opinion in Neurobiology 1995, 5:824-831].

Emma Díez Sánchez es Licenciada en Biología y Profesora de Secundaria

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