1234567
Biosynteza melatoniny i jej rytm dobowy

Natura chemiczna głównego hormonu szyszynkowego, melatoniny, znana jest od końca lat 50. ubiegłego wieku, kiedy to uczony amerykański Aaron Lerner wyizolował ją z ogromnej liczby szyszynek bydlęcych (ok. 200 tys. sztuk, czyli 100 kg), pozyskiwanych z rzeźni. Praca była żmudna, pełna niepowodzeń i, jak głosi anegdota, uczony był o krok od zrezygnowania z poszukiwań, z takim trudem przynoszących pozytywne efekty. Dziś wiemy, że dodatkową przyczyną trudności Lernera był nieznany jeszcze wówczas fakt, że w szyszynkach pochodzących od zwierząt zabijanych w dzień biosynteza, a więc i zawartość, melatoniny jest nieznaczna. Szczęśliwie jednak wysiłki Lernera zostały uwieńczone sukcesem i od tego czasu melatonina, czyli N-acetylo-5-metoksytryptamina, stała się obiektem bardzo licznych badań, wydaje się bowiem pełnić wiele różnych funkcji biologicznych. W niniejszych rozważaniach przedstawiona zostanie jedynie jej rola w funkcjonowaniu zegara biologicznego.

Substratem do biosyntezy melatoniny jest aminokwas tryptofan, ulegający kolejnym przekształceniom enzymatycznym; jak już wspomniano, kluczowym enzymem tego ciągu przemian jest AA-NAT. Jak pokazuje Rysunek 7 jej aktywność w ciągu doby ulega rytmicznym zmianom, z charakterystycznym wzrostem w okresie ciemności i niskimi wartościami w dzień.

Kliknij, aby zobaczyć powiększenie
Rys. 7. Biosynteza melatoniny.

Taki sam rytm wykazuje zawartość melatoniny w szyszynce i jej poziom w krwi. Ponieważ, czas trwania nocnej, wzmożonej aktywności AA-NAT jest ściśle związany z długością okresu ciemności, to oznacza, iż w naturalnych warunkach oświetlenia czas ten ulega modyfikacjom, ściśle podążając za sezonowymi zmianami stosunku długości dnia i nocy. Dlatego melatonina uważana jest za „biochemiczny substrat” - lub hormon - ciemności, bowiem jej podwyższony poziom informuje komórki organizmu nie tylko o tym, że panuje ciemność, ale także o czasie jej trwania. Co więcej - kierunek zmian długości okresu ciemności, czyli jego wydłużanie się lub skracanie, wskazuje na aktualną i nadchodzącą porę roku, co kwalifikuje melatoninę jako wewnętrzny „zegar i kalendarz” organizmu (Rys. 8).

Kliknij, aby zobaczyć powiększenie
Rys. 8. Zmiany nocnego poziomu melatoniny, związane z porami roku pozwalają przypisać jej funkcję zegara i kalendarza, dzięki czemu może modulować wiele funkcji organizmu, w tym kontrolować rozwój gonad.
Odbiór informacji melatoninowej w komórkach docelowych

Widzimy więc, że melatonina (nazwana przez Axelroda przekaźnikiem neurochemicznym już w 1974 r., a więc stosunkowo niedługo po jej odkryciu), a raczej przebieg rytmu dobowego jej biosyntezy, przekazuje do organizmu informacje o warunkach świetlnych otoczenia. Pozwala to nie tylko odmierzać czas, ale także synchronizować pracę zegara endogennego z warunkami zewnętrznymi. Aby jednak taka funkcja mogła być spełniana, musi także istnieć możliwość odbioru tego sygnału, czyli wrażliwość na melatoninę, wyrażająca się obecnością jej receptorów w komórkach docelowych. Podobnie jak wiele innych hormonów, melatonina przekazuje swój sygnał za pośrednictwem receptorów błonowych, należących do nadrodziny receptorów związanych z białkami G (Tabela 1).

Tabela 1. Typy receptorów melatoniny.
Receptory błonowe Receptory jądrowe
związane z białkami G związane z reduktazą chinonową
Sklonowane Mel1a Mel1b Mel1c ML2 RZR α i β
Klasyfikacja farmakologiczna MT1 MT2   MT3  

Zaawansowane badania z użyciem technik biologii molekularnej pozwoliły wyodrębnić co najmniej trzy podklasy receptorów błonowych melatoniny, które różnią się nie tylko budową i wrażliwością na inhibitory, ale także typem związanego z nimi białka G i mechanizmem wewnątrzkomórkowej transdukcji sygnału. Różnorodność włączanych w nią drugich przekaźników wewnątrzkomórkowych (cAMP, IP3, Ca2+) wskazuje na mnogość efektów wywoływanych przez melatoninę i rozległość jej funkcji regulacyjnych.

Jedną z ważnych cech fizykochemicznych melatoniny jest jej lipofilowość, sprawiająca, iż bez trudu pokonuje bariery biologiczne. Może ona zatem wnikać do komórek i wszystkich ich przedziałów bez pośrednictwa nośników. Dzięki temu melatonina może wiązać się z białkami cytozolowymi, w tym z kalmoduliną, stanowiącą rodzaj jej wewnątrzkomórkowego receptora, za pośrednictwem którego wpływa ona także na metabolizm Ca2+ i funkcje białek cytoszkieletu. Co więcej, w ostatnich latach wykazano, że receptory jądrowe z nadrodziny tzw. sierocych ROR/RZR również wiążą melatoninę, która może do nich dotrzeć właśnie dzięki swej lipofilowości.

1234567
powrót na górę strony
Wykład
W jaki sposób zwierzęta odmierzają czas?
Strona
5/7
Autorzy
Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego
Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego
Kliknij nazwisko autora, aby zobaczyć notkę biograficzną w serwisie Nauka Polska