Cirkadiske rytmer

Cirkadiske rytmer (l. cirka - omtrent; dies - dag, gr. rhytmos - tidsmål, takt) - Endogene rytmer (oscillasjoner, svingninger) som cirka følger 24-timers syklus. Rytmen vil fortsette i kontinuerlig lys eller i kontinuerlig mørke.  Rytmene styres av en indre biologisk klokke (biologisk oscillator) som stilles og synkroniseres av skumrings- og demringslys. Cirkadiske rytmer gir organismene en aktivitetstilpasning til en dag-natt-syklus med variasjoner i lysintensitet og temperatur. Rytmene styres av en transkripsjons-translasjonsløkke med tilbakekobling. Klokken påvirkes ikke av temperaturen styrt via en temperaturkompensering.

Eksempler på cirkadiske rytmer er fotosyntese (klorofyllsyntese og nedbrytning av stivelse (katabolisme); sovebevegelser hos blad (fotonasti); lukking av blomster om natten (termonasti/fotonasti), åpning og lukking av spalteåpninger; strekning av stengel (hypokotyle) og stamme; samt produksjon av luktstoffer fra nattåpne blomster pollinert av nattsvermere. Cirkadiske rytmer er også involvert i fotoperiodisme og blomstring hvor de cirkadiske rytmene er delt i en skotofil (mørkeelskende) og en fotofil (lyselskende) fase. Omtrent alle de anabolske og katabolske omsetningsveier i stoffskiftet (metabolismen) har et punkt hvor de blir påvirket av cirkadiske rytmer. Rytmer er i seg selv et resultat av tilbakekoblingsregulering som produkter har på enzymer tidlige i biosynteseveien eller ved greiningspunkter.  

Hovedprinsippet er en oscillator er to gener A og B i cellekjernen som koder for proteiner som påvirker hverandre. Gen A i cellekjernen lager om morgenen et protein A i cytoplasma som aktiverer gen B som lager protein B. Utover dagen øker mengden protein A, men etter hvert øker også mengden protein B som virker som en repressor og skrur av aktiviteten til gen A, slik at mengden protein A synker. I tillegg virker posttranskripsjonsregulering via fosforylering/defosforylering,  proteinnedbrytning, og signalmolekyler som syklisk ADP ribose og svingninger i kalsiumkonsentrasjoner.

Jordens rotasjon rundt sin skråstilte akse gir dag-natt sykluser som påvirker de levende organismene på Jorden, fra prokaryoter som blågrønnbakteriene til en og flercellete eukaryoter.  Dag-natt syklusene gir svingninger i lysintensitet, temperatur, luftfuktighet, mens Jordens bane rundt Sola gir opphav til årstidsvariasjoner hvor effekten er avhengig av breddegrad. Månens bane rundt Jorden gir opphav til tidevannsbølger med lysintensitet avhengig av månefasene. Hos dyr og mennesker er aktivitetsnivå (dag- eller nattaktive), søvnsyklus, kroppstemperatur, blodtrykk, hormonnivå og metabolisme påvirket av dag-nattsyklus. Hvis dag-natt rytmene brytes av kontinuerlig mørke vil rytmene fortsette i mørke, de er endogene, men vil ikke lenger følge nøyaktig 24-timers syklus men får en lengre syklus for eksempel 28 timer. Forstyrrelser  den biologiske klokken via skiftarbeid eller hyppige reiser over flere kontinenter (jetlag) gir kroppsubehag, og kan i værste fall gi alvorlig sykdom. Mennesker deles grovt inn i A- og B-mennesker, med en biologisk klokke som går litt annerledes hos de to typene. Siden blåttlysreseptorer er viktige i stilling av den biologiske klokken via skumrings- og demringslys vil blått lys om kvelden før leggetid forstyrre søvnsyklus. PC-skjermer, nettbrett, mobiltelefoner og generelt LED lys har ofte en stor andel blått lys.

Alle organismene har en indre cirkadisk oscillator (cirkadisk klokke, biologisk klokke) som styrer rytmene. Den cirkadiske oscillatoren blir synkronisert av flere ytre signaler: rødt lys (fytokrom), blått lys (kryptokrom, Zeitlupe), svingninger i dag-natt temperatur og fra endring i sukkerinnehold fra fotosyntesen. En cirkadisk oscillator har oppstått flere ganger under evolusjonen, og er vanligvis basert på regulering av transkripsjon av gener og regulering av posttranskripsjon, med tilbakekobling av en løkke med transkripsjon, transkripsjonsfaktorer og translasjon. Den sykliske klokken er en temperaturkompensering slik at den går uavhengig av temperatur.

Oppdagelse

Den franske astronomen og geofysikeren Jean Jacques d'Ortous de Mairan (1678-1771) observerte  (Observation botanique, 1729) at den berøringsfølsomme planten Mimosa pudica plasserte bladene i forskjellig stilling om natten i forhold til dagen, en form for "sovebevegelse". Carl von Linné laget en blomsterklokke for åpningstidspunktene for blomster fra forskjellige arter. Charles Darwin studerte natt-dag bladbevegelser hos erteplanten snegleskolm (Medicago sp.), beskrevet i The power of movements in  plants (1880). Men det var den tyske plantefysiologen Erwin Bünning (1906-1990) som på 1930-tallet gjorde kronobiologiske eksperimenter, og med en kymograf undersøkelser dag/natt plasseringen av bladene hos unge bønneplanter, og koblet det til fotoperiodisitet og blomstring. Før Bünnings hypotese med fotoperiodisk følsomhet som varierte gjennom døgnet, var timeglassmodellen den rådende. Det ble gjort en rekke forsøk som viste faseforskyvning av følsomheten. Først ble plantene dyrket i i en vanlig 24-timers syklus med lys-mørke, og deretter ble de plassert i kontinuerlig mørke eller kontinuerlig lys.  Den første kvinnelige professoren i botanikk i Tyskland, Rose Stoppel (1874-1970) , gjorde flere undersøkelser av cirkadiske rytmer i planter. Hennes doktoravhandling fra 1910 var "Über din Einfluss des Lichts auf das Öffnen und Schliessen einiger Blüten" (Betydningen av lys for åpning og lukkingen av noen blomster). I motsetning til Pfeffers resultat, at de endogene frittløpende rytmene hos bønner (Phaseolus sp.) i kontinuerlig mørke ikke fulgte 24-timers syklus, fant Rose Stoppel at de fulgte nøyaktig 24-timers syklus, og at det måtte være en faktor X som stilte klokken, noe som sannsynligvis var det røde "sikkerhetslyset" som Stoppel brukt når plantene ble vannet i kontinuerlig mørke, og sannsynligvis på samme tidspunkt hver gang, slik pliktoppfyllende kvinner gjør. Dermed virket det røde lyset som "Zeitgeber" og stilte den biologiske klokken slik at den fulgte nøyaktig 24- timers syklus i mørke.

Litteratur:

Wikipedia

Nobelprisen i fysiologi eller medisin 2017 ble tildelt Jeffrey C Hall, Michael Rosbash og  Michael W Young for deres oppdagelser av den molekylære mekanismen for cirkadiske rytmer.

Cirkadiske rytmer

Cirkadiske rytmer er rytmer som viser en topp hver 24 timer, og finnes i alle eukaroter og noen prokaroter. Hos dyr følger kroppstemperatur, blodtrykk, metabolisme og søvn sykliske rytmer.  Eksempler på slike rytmer i plantene er sovebevegelser i blad (nyktinasti), fotosyntese, spalteåpning, og lukt fra blomster. Bioluminiscens fra Gonyaulax pylyedra, hvor også celledeling, fotosyntese, celleaggregering følger rytmer, skjer i spesielle organeller (scintilloner) hvor substratet luciferin og enzymet luciferase befinner seg, med maksimal lysutsendelse midt på natten. Rytmen stilles av skumrings- og demringslyset via en relativt temperaturufølsom biologisk klokke. Den cirkadiske klokken regulerer flere plantegener f.eks. cab-genet som koder for klorofylla/b bindende proteiner, rbcS- som koder for den lille subenheten til rubisko, rca som koder for rubisko aktivase og cat2 som koder for katalase.

   Det er mulig å få til faseendringer ved å plassere organismen i fullstendig mørke og gi lys ved forskjellig tidspunkt i den frittløpende rytmen og se hvordan dette påvirker fasen. Fotoperiodisme og biologiske rytmer er koblet til blomstring, aseksuell reproduksjon (knoller, utløpere), og hvile for knopper, påvirket av den naturlige årssyklus. Plantene må sørge for at blomstringen skjer på en gunstig årstid og dette kontrolleres av en utviklingsklokke relatert til fotoperiode, lysfluks, temperatur og vanntilgang. Induksjon av blomstring ved fotoperiodisitet og ved vernalisering gir en mitotisk hukommelse som er epigenetisk koblet til demetylering av cytosin og aktiviteten av enzymer i gibberellinsyntesen. Synkron blomstring gir størst mulighet for krysspollinering.

   Bjerkefrø er avhengig av lys og i noen tilfeller en spesiell fotoperiode for å spire, men etter kjøling spirer frøene uavhengig av fotoperiode.

Sirkadiske rytmer koordinerer dag-natt syklus i lys og temperatur med biologiske prosesser i sopp, planter og dyr. Rytmene er styrt av en biologisk klokke som stilles og synkroniseres av skumrings- og demringslys, og som virker som en "Zeitgeber" (ty.,tidsgiver). I kontinuerlig lys fortsetter rytmen i ca. 24 timers syklus, mens i kontinuerlig mørke eller lys minsker rytmen gradvis. Alle organismene på Jorden er utsatt for variasjoner i lys og mørke, og dag og natt styrer aktivitet, vekst og utvikling. Et eksempel hos menneske er en flyreise gjennom flere tidssoner hvor den biologiske klokken ikke følger med dag-natt rytmen på stedet man kommer til, den er asymmetrisk og må stilles på nytt av dag-natt rytmen på stedet. Den sirkadiske rytmen og dag-natt syklus på stedet må bli synkronisert. Tidlig i evolusjonen med lite oksygen i atmosfæren og mye UV-stråling kunne man tenke seg at mindre UV-skader ville oppstå hvis celledelingene skjedde om natten. Opptil 30% av genene i en plante er påvirket av sirkadiske rytmer. Rytmen er uavhengig av celletype. Klokken består av genetisk styrte og sammenvevde tilbakekoblingsløkker. Transkripsjonen av et gen gir økt mengde produkt som deretter nedregulerer transkripsjonen med påfølgende oscillasjoner. I plantene med Arabidopsis thaliana som modellplante deltar bla.a. proteinene CCA1 (Circadian Clock Associated 1), LHY (Late Elongated Hypocotyl), TOC1 (Timing of CAB Expression 1)  og PPR7 og PP39( Pseudo Response Regulation 7 og 9). CCA1 og LHY blir laget om morgenen i en morgenløkke, og at det er andre løkker om kvelden (LUX, ELF3 og 4).  Posttranskripsjonsreguleringen skjer via fosforylering via kasein kinase 2 som fosforylerer CCA1 og LHY, samt nedbrytning av protein via proteaosomer, hvor Zeitlupe proteiner gir signal om nedbrytning av TOC1protein. Dessuten er det sykliske svingninger av kalsiumkonsentrasjoner (Ca2+)  og syklisk ADP-ribose i cytosol som virker som signalmolekyler.

Modellen er at et gen A lager et protein A som aktiverer gen B, og proteinet som kodes av gen B represserer (hemmer) gen A. Tilbakekoblingsløkker gir sykliske svingninger i transkripsjonen av genene A og B.

Cirkadiske rytmer og tilpasning til leveområde

Organismene i et leveområde er tilpasset en døgnsyklus i lys og mørke. Bortsett fra ved ekvator vil dag- og nattlengden endre seg med årstidene. Cirkadiske rytmer forsetter i kontinuerlig lys eller kontinuerlig mørke i en frittløpende rytme som avviker fra 24-timers perioden, kan bli kortere eller lengre, samt amplituden minker. Klokken i seg selv får ikke redusert amplitude, bare den fysiologiske koblingen. Rytmen er drevet av en endogen oscillator som virker som en klokkemekanisme. En fysiologisk respons er koblet til den endogene oscillatoren. En oscillator kan være koblet til flere fysiologiske prosesser, som også kan være ute av fase i forhold til hverandre. I en normal dag-natt syklus blir oscillatoren stilt og synkronisert til en 24-timers syklus via en zeitgeber. Rødt, mørkerødt og blått lys deltar i stillingen av klokken via fytokrom C, kryptokrom 1 og 2 og Zeitlupeproteiner. Hos dyr deltar kryptokrom 1 og 2 i stillingen av klokken sammen med melanopsider. Temperaturkompensasjon gjør at oscillasjonen er lite påvirket av temperatur. Fotosyntese, spalteåpning, respirasjon, sporulering, dag-natt posisjon av blad og blomsterblad, bioluminiscens, og aktiviteten til pattedyr følger cirkadiske rytmer. Dyreplankton (zooplankton) som krill og rauåte har døgnvariasjon i bevegelse i vannmassene hvor de om dagen beveger seg ned i havdypet for å unngå predasjon, men hvor de om natten stiger opp til overflaten.

Rytmer har tre karakteristika

1) Perioden. Tidsavstanden mellom like punkter, for eksempel topp- eller minimumspunkter på sinuskurven.

2) Fasepunkter som er ethvert gjenkjenbart punkt på den sinusformete kurven.

3) Amplitude. Avstand fra topp til bunn.

For sirkadiske rytmer som følger en sinuskurve må 2π erstattes med 24 timer.

\(y = \frac{A}{2} sin\left(\frac{2\pi}{p} t – s_t\right) + s_y\)

y- fysiologisk respons, t – tid (timer), A – amplitude med samme måleenhet som y, p – periode (timer), st – faseskift i tid (timer), sy – faseskift i fysiologisk respons (samme måleenhet som y).

Oscillasjon og sinuskurve

Figuren viser periode 24 timer, amplitude = 1 og uten faseskift

Tilbake til hovedside

Publisert 4. feb. 2011 10:13 - Sist endret 18. feb. 2019 10:37