1234567
Molekularne podłoże funkcjonowania zegara biologicznego

Postęp w zrozumieniu molekularnych podstaw rytmicznego przebiegu procesów i funkcjonowania zegara biologicznego dokonał się dzięki sukcesom biologii molekularnej. Doprowadziły one do identyfikacji tzw. genów zegarowych, odsłoniły niektóre tajniki regulacji ich ekspresji i pozwoliły zidentyfikować produkty tych genów oraz ich wzajemne oddziaływania. Co więcej, najnowsze odkrycia ujawniły uniwersalność molekularnego podłoża tych procesów - w mikroorganizmach, drożdżach, roślinach i u zwierząt na każdym poziomie ewolucji. Oczywiście, gatunkami wyróżniającymi się pod względem „rozszyfrowania” genów zegarowych są wiwilżanka octówka, popularnie nazywana muszką owocową Drosophila melanogaster i mysz, ale nawet tak odległe ewolucyjnie organizmy wykazują istotne podobieństwa molekularnych składowych zegara. Istnieją, naturalnie, także wyraźne różnice, charakterystyczne dla każdego z nich.

Mówiąc w największym uproszczeniu, tzw. geny zegarowe - różne u poszczególnych gatunków zwierząt - ulegają cyklicznej ekspresji i wyłączaniu w wyniku działania czynników transkrypcyjnych o charakterze regulatorów pozytywnych (włączających) i negatywnych (wyłączających). Oznacza to, że na każdym poziomie ewolucyjnym funkcjonowanie zegara biologicznego opiera się na tych samych zasadach: okres, amplituda i faza rytmu są wyznaczane przez grupy wyspecjalizowanych białek, których ilość (zależna m.in. od tempa biosyntezy i degradacji) podlega rytmowi okołodobowemu. W ten sposób tworzą się co najmniej dwie, wzajemnie połączone sprzężeniami zwrotnymi, regulacyjne pętle transkrypcyjne i translacyjne (pozytywna i negatywna), w zsynchronizowany sposób generujące oscylacje o stałym okresie ok. 24 godz (Rys. 3).

Kliknij, aby zobaczyć powiększenie
Rys. 3. Schemat molekularnego modelu funkcjonowania oscylatora okołodobowego organizmów eukariotycznych.

Synchronizacja pracy oscylatora endogennego z warunkami otaczającego świata jest możliwa dzięki temu, że światło (lub inny ważny czynnik środowiskowy, wyznaczający upływ czasu) wywiera zdecydowany i wyraźny wpływ na poziom jednego lub więcej składników zegara. W konsekwencji następuje efekt „falowania” w podległych, wzajemnie powiązanych pętlach molekularnych, co skutkuje stałą fazą endogennego generatora rytmów w stosunku do zewnętrznych czynników synchronizujących. Mimo istnienia znacznych podobieństw w poznanych mechanizmach molekularnych, znane są także istotne różnice, świadczące o niewiarygodnej plastyczności systemów, tworzących mechanizm zegara endogennego.

Synchronizacja zegara endogennego ze środowiskiem

Jak już wspomniano, najważniejszym i uniwersalnym czynnikiem środowiskowym, wpływającym na pracę zegara biologicznego, jest światło, a właściwie mieszczący się w 24 godzinach wzajemny stosunek długości okresu światła i ciemności. Jest on zarówno wyznacznikiem pory doby (dzień i noc) jak i roku (przybywanie i ubywanie dnia, czyli skracanie się i wydłużanie nocy), i podlega regularnym zmianom, niezależnie od wahań innych czynników, takich jak temperatura czy wilgotność. Dlatego umiejętność rozpoznawania aktualnych i przewidywania nadchodzących warunków świetlnych środowiska stanowi dla zwierząt uniwersalne źródło informacji i umożliwia im synchronizację wielu procesów fizjologicznych. Oprócz rozpoznania, istotną rolę w tym ciągu procesów regulacyjnych pełni także „przetłumaczenie” tej informacji na język sygnałów biochemicznych, czytelnych dla komórek i tkanek, które będą realizować procesy dostosowawcze. Większość, a właściwie wszystkie kręgowce wyposażone są w szyszynkę (dotychczas poznany wyjątek wydają się stanowić krokodyle) - narząd zdolny do pełnienia obu tych funkcji, to jest do odbioru informacji świetlnej i przetwarzania jej na sygnał biochemiczny w postaci rytmicznej syntezy i uwalniania związku o charakterze neurohormonu - melatoniny. Zanim jeszcze rozpoznano tę jej funkcję, szyszynka - jako pojedyncza struktura mózgowia, zlokalizowana u ludzi w szczytowej części głowy - przyciągała uwagę przyrodników, filozofów i kapłanów wielu systemów religijnych, którzy przypisywali jej nadzwyczajne role, często lokalizując w niej siedlisko duszy lub inną formę kontaktu z siłami nadprzyrodzonymi. Wielki filozof XVII wieku, Kartezjusz, nie tylko określał szyszynkę jako siedlisko duszy, ale był także pierwszym uczonym, który graficznie przedstawił szlak, po którym światło wędruje od oka do szyszynki. Współczesna wiedza zweryfikowała te drogi, ale istota odbioru informacji świetlnych przez szyszynkę pozostała aktualna.

1234567
powrót na górę strony
Wykład
W jaki sposób zwierzęta odmierzają czas?
Strona
3/7
Autorzy
Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego
Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego
Kliknij nazwisko autora, aby zobaczyć notkę biograficzną w serwisie Nauka Polska