Ritmo Sonno-Veglia: le lancette molecolari dell’orologio biologico

Dormire è fondamentale per la vita di ciascun essere vivente. Sicuramente avrete notato che tutti gli animali dormono, nessuno escluso. Ma cosa determina questo fenomeno? Come fa il nostro organismo a farci dormire? Anche le nostre cellule hanno un orologio biologico interno: il ritmo circadiano.

Esistono diversi ritmi circadiani e tutti gli organi e apparati del nostro organismo sono sincronizzati. Uno dei più importanti ritmi circadiani è il ritmo sonno-veglia. Come le lancette di un vero e proprio orologio, questo misura approssimativamente la lunghezza del giorno e della notte. I diversi sistemi dell’organismo seguono i ritmi circadiani che sono sincronizzati con l’orologio biologico. A sua volta questo è influenzato direttamente da fattori ambientali, specialmente dalla luce del sole ed è proprio per questo motivo che il ritmo circadiano è strettamente legato al ciclo del giorno e della notte.

I ritmi circadiani sono stati ritrovati in tutti gli organismi la cui aspettativa di vita si misura in più giorni e in unità anche maggiori. Il ritmo circadiano permette all’organismo di prevedere, e di anticipare i cambiamenti. Piuttosto che adattarsi passivamente ai cambiamenti indotti dell’alternanza tra il giorno e la notte.

Questi cambiamenti riguardano funzioni positive come la vista e effetti negativi come i danni provocati dai raggi UV. E indirettamente, alternazioni come la temperatura, la disponibilità del cibo e la presenza dei predatori.

Leggi anche: Giorno e notte: cosa causa questo ciclo sulla Terra?

La fisiologia del sonno

Nei vertebrati e nei mammiferi i ritmi circadiani sono regolati da un orologio biologico che si trova nel nucleo soprachiasmatico che ha sede nel Sistema Nervoso Centrale (SNC) a livello dell’encefalo. Questo centro determina il ritmo circadiano individuale, che in assenza di segnali luminosi sarebbe di 24.2 ore. In un individuo normale l’orologio è sincronizzato al ciclo del giorno e della notte, attraverso le informazioni trasmesse mediante il tratto retino-ipotalamico al nucleo soprachiasmatico.

orologio biologico
Il nucleo soprachiasmatico è un piccolo gruppo di cellule nervose localizzate nell’ipotalamo. Il nucleo soprachiasmatico controlla il ritmo circadiano e influenza molti processi fisiologici nell’arco delle 24 ore incluso il ritmo sonno-veglia.

Sotto un’ottica evolutiva dormire si è evoluto nei vertebrati come un periodo prolungato di inattività fisica che occupa una grande parte del ciclo circadiano. Tuttavia, c’è anche da dire che la distribuzione tra giorno e notte tra il riposo e l’attività varia profondamente tra i diversi animali dei differenti taxa.

I rettili sono più antichi dei mammiferi e sono organismi esotermici. Essendo organismi a sangue freddo, passano molte ore al sole a riscaldarsi per raggiungere la temperatura corporea ottimale. Per questo motivo sono attivi durante il giorno, mentre gli ancestori dei mammiferi endotermi erano animali notturni. Nel corso della lunga storia evolutiva, alcuni mammiferi come i primati si sono convertiti alla vita diurna in seguito ad alcune modificazioni che hanno interessato direttamente il sistema visivo.

La retina si è arricchita di nuovi fotorecettori quali i coni, e i centri della vista a livello del cervello si sono rinnovati. I fotorecettori sembrerebbero svolgere un ruolo cruciale nella regolazione del ritmo sonno-veglia.

Leggi anche: Sonno: la ragione dietro la “sveglia biologica”

Le lancette molecolari dell’orologio biologico

orologio biologico

Le basi molecolari del ritmo sonno-veglia sono state studiate in topi di laboratorio. Quando si parla di molecole, faremo riferimento ai geni e alle proteine che intervengono nel regolare questo delicato processo esattamente come gli ingranaggi di un orologio muovono le lancette del suo quadrante.

Ogni cellula ha nel proprio nucleo il materiale genetico, il DNA, che contiene tutte le informazioni per la produzione di proteine. In breve, un gene permette di ottenere una proteina. Per costruire la proteina di cui la cellula ha bisogno, il gene viene trascritto in un RNA messaggero nel nucleo. Il messaggero viene esportato a nel citoplasma cellulare lì dove ci sono i ribosomi che traducono l’mRNA nella proteina corrispondente.

Con questo meccanismo la cellula del nucleo soprachiasmatico attiva e spegne determinati geni nel momento del bisogno. Il meccanismo del ritmo sonno-veglia dipende strettamente dalla co-espressione di specifici geni Clock (orologio). I principali geni coinvolti sono i geni Period (Per) e Cryptochrome (Cry).

L’orologio biologico: i geni Clock

Un promotore è una sequenza di DNA di controllo della trascrizione. Questo rappresenta un segnale che viene riconosciuto da proteine quali i fattori di trascrizione e la RNA polimerasi.

orologio biologico

(a) La mattina i promotori dei geni Cry e Per sono attivati dalle proteine CLOCK/BMAL1, due fattori di trascrizione che producono i trascritti di mRNA che sono esportati nel citoplasma. (b) Durante il giorno, i ribosomi si legano all’mRNA per produrre le proteine CRY e PER. (c) Nell’ultima parte del giorno le proteine PER1, PER2, PER3 e le proteine CRY1 e CRY2 si accumulano nel citoplasma dove è sempre presente l’enzima casein chinasi I (CKI δ e ε).

(d) In serata, le proteine PER, CRY e CKI si combinano tra loro per formare un complesso molecolare. (e) Di notte il complesso entra nel nucleo della cellula. Il complesso andrà ad inibire a feedback negativo i promotori dei geni Cry e Per. Come risultato, le proteine PER e CRY non verranno più prodotte. (f) Come i messaggeri anche le proteine PER e CRY hanno vita breve e scompaiono gradualmente fino al mattino. A questo punto il ciclo è completo ed è pronto a ricominciare.

Questi segnali molecolari sono interpretati dalle cellule come giorno/notte e permettono di sincronizzare il nostro organismo ai cambiamenti imposti dall’ambiente.

Fonte

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *