(en busca del tiempo perdido) - laboratorio de ...cronos.unq.edu.ar/fisgen/clase_ritmos.pdf ·...
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LA MÁQUINA DEL TIEMPOCronobiologiaCronobiologia
(en busca del tiempo perdido)
Diego A. GolombekUniversidad Nacional de Quilmes/CONICET
¿Dónde está el tiempo?
Entre el Entre el ddííayay la nochela nochehay un territorio inexplorado.hay un territorio inexplorado.
No es sol ni es sombra:No es sol ni es sombra:es tiempoes tiempo
Octavio PazOctavio Paz
• En aquella desolada región, encontré un pequeño rancho habitado por un gaucho y su familia y pasé la noche allí. Los chajás andaban alrededor del rancho y parecían tan mansos como las aves domésticas y cuando salí a buscar algún sitio donde mi caballo pudiera hallar buen pasto, los pájaros no echaron a volar, sino que se apartaron un poco como para dejarme pasar. Serían las nueve y estábamos comiendo, cuando toda aquella multitud de aves que cubría un espacio de varios kilómetros, prorrumpió en un tremendo concierto nocturno. Es imposible describir el efecto que producía ese inmenso coro nunca oído. Dejo que el lector trate de imaginar a medio millón de gritos, cada uno más fuerte que los que se pueden oír en Regcnt’s Park, estallando en la atmósfera silenciosa de la solitaria llanura, en medio de la oscuridad noche. Una peculiaridad de ese inmenso coro, mas que el ruido atronador de la marejada cuando choca los acantilados de una costa, es que me era posible distinguir centenares y hasta millares de voces individuales. Me olvidéde mi cena, me quede inmóvil, sobrecogido de asombro mientras el aire y hasta el frágil rancho parecían temblar bajo la acción de aquella tempestad de ruidos. Cuando cesó y quedamos en silencio, el gaucho me dijo, sonriendo: “Estamos acostumbrados a esto, señor; todas las noches tenemos este concierto”. Era un concierto por el que valía la pena haber galopado treinta leguas para oírlo.(*)
• (*) Extraído de El naturalista en el Plata, de Guillermo Enrique Hudson, Ed. Elefante Blanco, ciudad de Buenos Aires.
Sanctorius
En 1647, Sanctorius construyo una balanza en la cual se pesaba en cada una de sus comidas. Esto lo hizo durante un período de 30 años.
Linneo
El reloj floral de Linneo (siglo XVIII), con el cual puede saberse la hora (entre las 6 AM y las 6 PM) deacuerdo a qué flores están abiertas o cerradas en el campo.
de Mairan
La primera demostración de un ritmo circadiano por Jean Jacques d’Ortous de Mairan en 1729
What synchronizesan organism’s circadianclocks?
Circadian clock geneshave popped up in alltypes of creatures andin many parts of thebody. Now the challengeis figuring outhow all the gears fittogether and whatkeeps the clocks setto the same time.
QUIMICO
CELULARLos ritmos ocurren en todos los niveles
de organización
FISIOLOGICO
POBLACIONALCONDUCTUAL
CELULAR Expresión génica, actividad eléctrica, síntesis y liberación de neurotransmisores.
FISIOLÓGICO Temperatura, presión arterial, frecuencia cardíaca, niveles de hormonas en sangre.
CONDUCTUAL Conducta alimentaria, ciclo sueño/vigilia, actividad locomotora.
MODELOS EN CRONOBIOLOGIA
Bacterias
Algas (Gonyaulax)
Plantas (Arabidopsis)
Drosophila
Cangrejos
Moluscos (Bulla)
Anfibios (Xenopus)
Reptiles (Iguana)
Aves
Roedores (ratón, hamster)
Primates/Humanos
Neurospora
Gusanos!
Frecuencias de los ritmos biológicos
TIPO DE RITMO PERIODO EJEMPLOS
0,1 seg. Electroencefalograma
1 seg. Ritmo cardíaco
6 seg. Ritmo respiratorio
60 min. Secreciones hormonales
ULTRADIANO
90 min. Alternancia de estados de sueño
Actividad – Reposo CIRCADIANO 24 horas
Temperatura corporal
28 días Ciclo menstrual INFRADIANO
365 días Hibernación
reloj NSQ
¿¿CCóómo se pone en hora?mo se pone en hora?
¿¿CCóómo controla los ritmos del cuerpo?mo controla los ritmos del cuerpo?
zeitgeber
ritmos
¿¿DDóónde estnde estáá el reloj? el reloj? ¿¿CCóómo funciona?mo funciona?
L:O
Actividad
Nosotros tenemos un reloj adentro
¿Dónde ...?
El tiempo entra El tiempo entra por los ojos,por los ojos,eso lo sabe eso lo sabe cualquiera.cualquiera.
J. CortJ. Cortáázarzar
CARACTERISTICASNEUROQUIMICAS
EXPRESION GENES RELOJ
CALB CALBINDINA
QUIASMA ÓPTICO
VIP PEPTIDO VASOACTIVO INTESTINAL
AVP
VIP
CALB
AVP VASOPRESINA
Región dorsomedialEXPRESION RITMICA
Región ventrolateralEXPRESION INDUCIDA
POR LUZ
NSQ
QO
Los núcleos supraquiasmáticos (NSQ) son la sede del reloj biológico en mamíferos
3V: TERCER VENTRICULO
QO: QUIASMA OPTICO
LOS NSQ COMO UN RELOJ BIOLLOS NSQ COMO UN RELOJ BIOLÓÓGICOGICO
•Localización•Ablación•Autonomía•Explanto•Células•Transplante
4040XX
Ahhhh... Ya no se burlarán de mí en la academia! Ahora verán estos transplantes!
Ralph & Lehman (1991) Trends Neurosci. 14:362
El reloj circadiano de mamíferos funciona a través de un mecanismo de retroalimentación transcripcional
CKI
P
PER
CRY
BMAL
CLOCK
NUCLEOCITOPLASMA
-
cry1
cry2
rev-erb
per2
per1
+
clock
bmal-1
Mecanismo de oscilación: el reloj molecular
CITOPLASMA
NUCLEO
CKIε
CRYPER
PER
Degradación víaproteosoma
Per
Cry
Rev
otros
Genes blancoE-box
CLO
CK
BM
AL
CRYPER
CRY
PER
Subjective DaySubjective Night
Hours 240
Light pulse
Phase advance
Light pulse
Phase delay
Subjective NightSubjective Day
Subjective DaySubjective Night
Hours 240
Light pulse
Phase advance
Light pulse
Phase delay
Subjective NightSubjective Day
CaMKII
Ca2+-Calmodulin↑Ca2+
NOS
PKG
GC
GluCa2+
NMDA-R
Light
An involvement for the NOS-GC-PKG pathway in light-induced phase advances has been indicated by several studies. NO
cGMP
Late night(phase advance)
- cGMP induces phase advances in vitro(Prosser y Gillette, 1996)
- PKG inhibition blocks light-induced phaseadvances in vivo (Mathur et al., 1996)
CaMKII
Ca2+-Calmodulin↑Ca2+
NOS
GluCa2+
NMDA-R
Light
NO
PKG
GC
NOcGMP?
Late Night
Early Night
Phase delay ?
Phase advance
pmol
cG
MP
/ µg
prot
x 3
0 m
in
0
30
60
90
120
150
180
pmol
cG
MP
/µg
prot
x 1
5 m
in
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8**A B
ZT4 ZT16 ZT4 ZT16
cGMP PDE and guanylyl
cyclaseactivity
exhibit dailyvariations in
the SCN
¿Cómo usar esto en términos prácticos? ¿Qué sucede si se inhibe la PDE de GMPs?
VIAGRA PARA TODO EL MUNDO!
Sildenafil incrementa los avances de fase en respuesta a la luz
Vehículo+ pulsode luz
Adel
anto
de
fase
(min
)
020406080
100120140160180200
Vehículo + luzSildenafil + luz
*
Sildenafil+ pulsode luz
Dosis sildenafil: 3,5 mg/kg, i.p.
Sildenafil no afecta los retrasos de fase en respuesta a la luz
Sildenafil+ luz
Vehículo+ luz
Ret
raso
de
fase
(min
)
-100
-80
-60
-40
-20
0
Vehículo + luzSildenafil + luz
Dosis sildenafil: 3,5 mg/kg, i.p.
Sildenafil acelera la resincronización luego de un avance de 6 horas en el ciclo luz/oscuridad
Días post adelanto de 6 horas del ciclo LD0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Adel
anto
de
fase
(min
utos
)
0
100
200
300
400
VehículoSildenafil (3,5 mg/kg, i.p.)
******
*** *
**
Sildenafil+ 6 havance
Vehículo+ 6 h
avance
Núm
ero
de d
ías
nece
sario
s pa
ra a
lcan
zar l
a re
sinc
roni
zaci
ón
0
2
4
6
8
10
12
14
Vehículo 1 mg/kgsildenafil
3.5 mg/kgsildenafil
10 mg/kgsildenafil
****
PERSPECTIVAS BÁSICAS
•¿Qué sucede con otros fármacos similares al sildenafil?
•¿El tratamiento es efectivo para machos o hembras? ¿Y en otros modelos animales?
•¿Otras vías de administración?
•¿Cómo sigue la vía de señalización?
•¿Por qué es diferente adelantar o retrasar el reloj biológico?
•¿Qué otros fármacos afectan la sincronización de los ritmos circadianos?
Ritmos circadianos en Humanos
Hormonas: prolactina, hormone de crecimiento, insulina, cortisol, TSH, melatonina.
• Sist. Cardiovascular: presión sanguinea, frecuenciacardíaca, volemia y flujo, función muscular cardíaca y respuesta a hormonas.
• Reactividad bronquial.• Función renal y formación de orina: volumen de
orina, electrolitos en orina.• Sistema inmune y funciones plasmáticas celulares.• Temperatura.• Actividad.• Estado de ánimo.• Concentración.
12:00medianoche
5:00 A.M.Temperatura corporal
mínima
12:00mediodía
6:00 A.M.6:00 P.M.
2:00 A.M.Sueño profundo
6:45 A.M.Aumento agudo de la
presión sanguínea
10:00 A.M.Aumento en las
funciones de alerta
2:30 P.M.Máxima coordinación
manual
3:30 P.M.Mejor tiempo de reacción
5:00 P.M.Mayor eficiencia cardiovascular
y fuerza muscular
Presión sanguínea máxima
7:00 P.M.Temperatura corporal máxima
1:00 A.M.Comienzo de trabajos de parto
3:00 A.M.Pico en procesos de reparación
4:00 A.M.Mayor número de
nacimientos espontáneos
Alta secreción de cortisol
9:00 P.M.Comienzo del descenso de temperatura
y de la secreción de melatonina
11:00 P.M.Mayor frecuencia de relaciones sexuales
8:00 P.M.Mayor tolerancia al alcohol
9:00 A.M.Mínimo peso corporal
8:00 A.M.Aumento de movimientos de
vientre
Yo, reloj
Dime con qué genes andasy te diré a qué hora.
Polimorfismos en genes reloj involucrados en diferencias fenotípicas de preferencia diurna.
El período endógeno del reloj circadiano de una persona está relacionado con su cronotipo, es decir, con su fenotipo de preferencia diurna. Individuos con preferencia matutina están asociados a un período menor a 24 horas y, de forma inversa, los individuos vespertinos se asocian a períodos mayores.
GenotipadoPolimorfismo de número variable de repeticiones en tándem (VNTR) en el gen per3
Está localizada en el exón 18. Pueden hallarse 4 ó 5 repeticiones imperfectas en tándem de 54 bps, que representan 18 aminoácidos en la proteína final.
El SNP se encuentra localizado en la región no traducida 3´, siendo las dos variantes posibles encontradas T o C
Polimorfismo de un solo nucleótido (SNP) en el gen clock
Alteraciones de los ritmos circadianos humanos
Factores endógenos•envejecimiento•ceguera•enfermedades crónicas•alteraciones del sueño•trastornos psiquiátricos•trastornos neurológicos
Factores exógenos•trabajo en turnos (Shiftwork)•jet-lag
Trastornos circadianos del sueño•Insomnio por retraso de fase•Insomnio por adelanto de fase•Alteraciones período•Alñteraciones de amplitud
Factores endógenos•envejecimiento
•Cambios en amplitud•Cambios en sincronización•Desaparición de neuronas
... el tiempo no espera a nadieFreddie Mercury
¿Qué es el día y la noche para aquélque está sumido en la tristeza?William Blake
La melancolía es, en suma, un problemamusical, una disonancia,un ritmo trastornadoAlejandra Pizarnik
Factores endógenos•trastornos psiquiátricos
•Depresión mayor•Enfermedad bipolar•Trastorno afectivo estacional
“Hibernación”Cambios dietariosCambios en el sueñoMigraciónFototerapia
•Modelos animales
Factores endógenos•alteraciones del sueño
•Insomnio por retraso de fase•Insomnio por adelanto de fase•Período diferente de 24 horas•Disminución de la amplitud
Aplicaciones de la Cronobiología
Tratamiento de alteraciones en la sincronización
Aplicaciones ergonómicas
Aplicaciones diagnósticas
Aplicaciones terapéuticasJet-lagShiftworkTurnos escolares
•Fototerapia•Cronoterapia•Actividad física•Dieta•Melatonina•Otros fármacos
Cronofarmacología
PORCENTAJE DE PUNTOS LOGRADOS
América Resto
%
0
20
40
60
80
100
De paso: mayores goleadas•a favor 12-0 Ecuador•en contra 1-6 Checoslovaquia
¿A QUE HORA JUGAMOS?
Records olímpicos
El desempeño vespertino supera al matutino. El máximo
de records se da entre las 12:00 y las 21:00 h. Hay mejor
desempeño luego de viajes hacia el oeste
Más de 1 día de descanso incrementa el score en 1.6 puntosEl pico de desempeño está con un descanso de 3 díasViajar hacia el oeste es mejor (4 puntos) que hacia el este
BasquetbolBeisbol
Los equipos que viajan de costa oeste a este pierdenmás frecuentemente!
Factores exógenos•trabajo en turnos (Shiftwork)
•Aumento de su requerimiento por producción continua•Problemas de sueño y fatiga•Aumento de accidentes de trabajo•Menor producción•Mayor incidencia de enfermedades•Pasible de fototerapia
Variación en el desempeño durante una noche de insomnio
Análisissubjetivo
Análisisfisiológico
Análisisperformance
EntoncesEntonces…… perspectivas de aplicaciperspectivas de aplicacióónn
•Tratamiento de trastornos circadianos:-Jet Lag-Shiftwork-Alteraciones de fase del sueño-Sundowning, SAD-Sincronización
•Cronoasesorías
CRONOFARMACOLOGÍA
Las purgas deberán aplicarse de arriba hacia abajo en verano y de abajo hacia arriba en invierno (Hipócrates)
La estupidez de administrar un medicamento tresveces al día (J. Virey)
•Cronocinética•Cronestesia•Cronergia•Cronotoxicología
Beta-bloqueantesHipnóticos-sedantesAnalgésicosAntialérgicosAntitumorales
CAMBIOS FOTOPERIODICOS ANUALES
00:0002:2404:4807:1209:3612:0014:2416:4819:1221:3600:00
Ene
-00
Ene
-00
Feb-
00
Mar
-00
Abr
-00
May
-00
Jun-
00
Jul-0
0
Ago
-00
Sep
-00
Oct
-00
Nov
-00
Dic
-00
mes
hora
albaatardecersalida de solpuesta de sol
07:1208:2409:3610:4812:0013:1214:2415:3616:48
Ene
-00
Ene
-00
Mar
-00
Mar
-00
Abr
-00
May
-00
Jun-
00
Jul-0
0
Ago
-00
Sep
-00
Oct
-00
Nov
-00
Dic
-00
mes
hora
s fotoperíodo(luminosidad)fotoperíodo (salida ypuesta de sol)
Cronobiología de la comunidad mapuche de Millaín-Curical
•Un poco de historia: las crónicas de viajes patagónicos como herramienta biológica•La entrada a la comunidad: historia oral•Estructura cíclica social y médica•Diarios de sueño•Estimación del tiempo•Pruebas fisiológicas?
Una herramienta cronobiológica: el diario de sueño
RUPERTA MORALES II
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1
4
7
10
DIA
S
HORAS
SUEÑO
VIGILIA
RUPERTA MORALES
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1
3
5
7
DIA
S
HORAS
SUEÑO
VIGILIA
DAVID MORALES II
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1
3
5
7
DIA
S
HORAS
SUEÑO
VIGILIA
RICARDO MILLAIN
-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1
3
5
7
DIA
S
HORAS
SUEÑO
VIGILIA
RICARDO MILLAIN II
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1
3
5
7
DIA
S
HORAS
SUEÑO
VIGILIA
DIEGO MILLAIN II
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1
3
5
7
DIA
S
HORAS
SUEÑO
VIGILIA
DIEGO MILLAIN
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1
3
5
7
DIA
S
HORAS
SUEÑO
VIGILIA
DAVID MORALES
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
1
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DIA
S
HORAS
SUEÑO
VIGILIA
Formas de despertar por la mañana
gallo famliar despertador solo claridad
%
0
10
20
30
40
50
Formas de despertar por la mañana
Consultas médicas a lo largo del año
CONSULTAS MEDICAS
ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
CONSULTAS PARAMEDICAS
ene feb mar abr may jun jul ago sep oct nov dic90
100
110
120
130
140
150
160
170
Time flows more slowly the farther from the center of earth
Time is visible in all places
A world in which cause and effect are erratic
In this world there are two times. There is mechanical time and there is body time
In this world, time is like a flow of water
Time is a circle, bending back on itself
A world in which cause and effect are erratic
Imagine a world in which there is no time. Only images
In this world, time is a visible dimension
In this world, time is a local phenomenon
Imagine world in which people live just one daySuppose that people live forever
Suppose that time is not a quantity but a quality, like the luminescence of a night…Time exists but it cannot be measured