curso doctorado

1. RITMOS BIOLOGICOS
Y
MELATONINA
RITMOS BIOLÓGICOS
1. RITMOS BIOLOGICOS: DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN
Periodicidad Biofísica y Periodicidad Biológica
Clasificación de los ritmos biológicos.
Parámetros de los ritmos biológicos
Tipos de ritmos en función del periodo/frecuencia
Ritmos biológicos y ritmos endógenos. El reloj biológico
2. RITMOS CIRCADIANOS.
Características y propiedades de los ritmos circadianos
Sincronización (‘entrainment’, encarrilamiento).
Efecto de la luz.
Efecto de la alimentación.
Curvas de respuesta de fase
Estructura molecular del reloj circadiano
El sistema circadiano de los mamíferos
El núcleo supraquiasmático del hipotalamo
Entrada de información fótica y no fótica
Vías de salida de información circadiana. Melatonina.

2. RECONOCIMIENTO DEL TIEMPO EN LOS SERES VIVOS
Ciclos circadianos: Luz-oscuridad y
temperaturas (Rotación terrestre.
P. 24 horas).
Ciclos lunares: Alternancia de las
mareas, luminosidad del cielo
nocturno (Traslación lunar. P. 28 Ciclos circanuales: Diferencias en la intensidad de
días). luz, fotoperiodo y temperatura (Traslación terrestre.
P. 1 año).
Factores cíclicos medioambientales: FOTOPERIODO,
Temperatura, Depredadores, Disponibilidad de alimento, Hábitos
sociales, etc
Organismos
Variables biológicas de carácter cíclico: ritmos biológicos
Actividad locomotora
Ciclos sueño/vigilia
Alimentación
Reproducción
etc
Los ritmos biológicos más estudiados son los ritmos circadianos y los anuales

3. Ritmo biológico: variación cíclica de un parámetro biológico que se repite
a intervalos regulares de tiempo, siendo por tanto previsible..
Periodo: intervalo de tiempo entre dos acontecimientos idénticos, es decir, es la
duración de un ciclo completo. Se denomina como T (periodo del ritmo
manifiesto) o t (periodo del ritmo endógeno).
Amplitud: diferencia entre el mesor y el valor máximo alcanzado por la variable
durante un periodo
Mesor: valor medio de la variable a lo largo de un periodo.
Acrofase: valor máximo de la variable a lo largo de un periodo.
Batifase: valor mínimo de la variable a lo largo de un periodo.
Ritmos en Fase: describe la relación temporal entre dos ó más ritmos.
Tipos de ritmos biológicos:
Según su frecuencia (periodo)
Ritmos ULTRADIANOS. Alta frecuencia. T seg< 20 h
electroencefalograma, electrocardiograma, respiracion, secreción
hormonal pulsatil, fases del sueño.
Ritmos CIRCADIANOS. Frecuencia media, 20h< T >28h
sueño vigilia, reposo-actividad, componentes de la sangre y orina,
procesos metabólicos, secreción hormonal
Ritmos INFRADIANOS. Baja frecuencia. T > 28 h
ciclo mensutrual.
Ritmos CIRCANUALES o ESTACIONALES. T = 325 días
reproducción, hibernación
CIRCANUAL

4. Según el origen y su relación con los ritmos geofísicos
Ritmos NO ENDÓGENOS: el ritmo es respuesta pasiva a las variaciones de
un factor ambiental. En su ausencia no hay ritmo.
Ritmos ENDOGENOS: generados por estructuras internas del individuo:
-Ritmos no geofísico dependientes:
ciclos breves (actividad neuronal, latido cardiaco, respiración,
secreciones hormonales pulsatiles, fases del sueño,..)
-Ritmos geofísico-dependientes:
ciclos medios: diarios, semanales, mensuales
ciclos largos: estacionales o anuales.
En general el término CIRCA- se asocia a la presencia de un ritmo endógeno
geofísico-dependiente.
Pruebas de un ritmos CIRCA-:
Evidencia de la endogenia: el ritmo no es consecuencia pasiva de la
oscilacion ambiental
Reloj biológico que mantiene la oscilación
Parámetros hemáticos
Ritmos diarios en fisiología de mamíferos: Parámetros cardiovasculares
Bioquímica sanguínea
Ciclo sueño:vigilia
Ciclo actividad:reposo
Ejemplo: parámetros hemáticos
Temperatura corporal
Digestión y metabolismo
Producción de orina
Secreción hormonal

5. Ejemplo: parámetros cardiocirculatorios
Ejemplo: parámetros digestivos

6. Ejemplo: parámetros metabólicos/hormonales
Ejemplo: parámetros metabólicos/hormonales

7. Ejemplo: ritmo de sueño-vigilia/ temperatura corporal
Ejemplo: ritmos de secreción hormonal

8. Ritmos diarios de secreción hormonal: alteraciones
Ritmos mensuales en fisiología (humanos):
Ejemplo: ciclo menstrual en la mujer

9. Ritmos anuales o estacionales en animales
Reproducción Ejemplo: reproducción en estacional
Crecimiento, masa corporal en especies de fotoperiodo corto
Ingesta de alimento
Hibernación
Ejemplo: hibernación/ ingesta/masa corporal
Ciclo reproductivo anual en la oveja
Cambios anuales en la ardilla:
hibernación, ingesta, masa
corporal
RITMOS BIOLOGICOS ENDOGENOS Y NO ENDOGENOS
RELOJ BIOLOGICO
Escherichia coli
Ritmo geofísico o Drosophila melamogaster: Ojos
ambiental Mamíferos: NSQ
Mayoría de peces estudiados: Órgano pineal
Ritmos biológicos
endógenos
Ritmos biológicos no
endógenos
Vías de salida
del reloj
Vías de retorno

10. RITMOS BIOLOGICOS ENDOGENOS: aquellos que permanecen en condiciones
ambientales constantes. Los ritmos son originados por estructuras/mecanismos
endógenos conocidos como relojes/osciladores/marcapasos.
Breve historia del reloj biológico
Hasta edad media: variaciones rítmicas → cambios en factores
ambientales y astronómicos.
1729: D’ortous de Mairan demuestra ritmos independientes del ciclo L:O.
Ritmos intrínsecos al individuo, reloj interno
De Candolle: Ritmos de duración 22-23 h; Inversion de ritmos
S XX: fundación de la Society for Biological Rhythms. Nace la cronobiología
Ritmos Circadianos
-Periodo (t) próximo a 24 h
-Asociados a cambios ambientales derivados de la rotación de la Tierra
Propiedades:
1. Persistencia en condiciones ambientales constantes:
-ritmos endógenos o ritmos en free-running
T : periodo del ritmo bajo condiciones ambientales cambiantes (presencia de un
agente que ajusta el ritmo.
t (tau) : periodo del ritmo en condiciones constantes, periodo del reloj circadiano.
Valor próximo a 24 h, normalmente entre 22-26 horas.
T t
T
t

11. Ej. Ritmos circadiano de actividad locomotora
En el laboratorio los ritmos más monitorizados son los ritmos de actividad
locomotora. Son ritmos claramente endógenos.
Registros:
Actogramas
Periodogramas
Actograma de doble plot
Evidencias de la endogenia:
ritmo persiste en condiciones constantes (D:D; L:L).
T (periodo del ritmo ajustado) se transforma en t (periodo del ritmo endógeno).
t valor ≠ a 24, aunque cercano:
si t < 24 ritmo en avance de fase
si t >24 h ritmo en retardo de fase
T = 24
Dia
subjetivo t = 23.2
Noche
subjetiva
Ritmo en ‘free running’
o ‘libre curso’
Si t < 24 h : ritmo evoluciona con avance de fase
Si t > 24 h : ritmo evoluciona con retardo de fase

12. Propiedades de los ritmos endógenos
2. Ajuste o encarrilamiento: mecanismo por el cual un ritmo endógeno puede ser
encarrillado (modificado) por un agente denominado ‘zetigeber’.
Presencia del encarrillador (sincronizador) o ‘zeitgeber: ajusta el ritmo
t (periodo del ritmo endógeno) → T (periodo del ritmo ajustado)
La luz (alternancia diaria luz:oscuridad) es el zeitgeber más potente. Su acción
encarrila la actividad del reloj circadiano de forma que la duración de su periodo
se ajusta exactametne a la duración del ciclo lumínico impuesto (24 h).
El ciclo L:O limita el tiempo de actividad a la fase diaria o nocturna (oscuridad →
animal nocturno; luz → animal diurno)
Un zeitgeber potente (ciclo L:O) puede comprimir la actividad interna de reloj a
una fase concreta del dia.
El reloj tiene una cierta capacidad de memoria de la exposición previa al
zeitgeber

13. Límites al encarrilamiento interno por un zeitgeber externo:
El ajuste es posible siempre que T = t ± 2h
Si se sobrepasa ese límite arritmia y/o desincronizacion interna
Ejemplo de desincronizacion interna en el humano
Un solo pulso de luz provoca cambios de fase en el reloj circadiano

14. Curvas de Respuesta de Fase: definen la respuesta diferencial del reloj
circadiano (avances o retardos de fase de distinta duración) al dar pulsos de luz
en momentos distintos a un individuo que está en condiciones constantes (D:D).
Las CRF en respuesta a la luz son
universales. Todos los organismos
vivos responden de forma similar.
Indican que ritmos dependen de la
activdad de un reloj endógeno.
Los estímulos no fóticos también provocan CRF, pero son inversas a las de la luz

15. La acción encarrilladora de la luz puede aprovecharse para provocar avances o
retardos de fase del reloj circadiano. Ello puede contribuir a que su ajuste al
ambiente externo sea más rápido.
Ejemplo: ajuste diferencial por la luz (con avances o retardos de fase)
del ritmo endógeno en roedores.
L L L L
Si un individuo presenta retardo de fase, su ajuste ocurre por luz aplicada al final
de la noche.
Si está en avance de fase, su ajuste ocurre por luz aplicada al inicio de la noche.

16. Ejemplo: ajuste por la luz del ritmo de melatonina plasmática en
pacinetes con Sindrome Depresivo estacional.
Zeitgebers no fóticos para el sistema circadiano en los peces
El ciclo luz : oscuridad diario es el zeitgeber más importante para todos los
seres vivos. Su presencia permite ajustar el periodo del reloj circadiano a 24 h.
Dicho ajuste predomina sobre la influencia de otros zeitgebers que puedan
estar presentes.
Existen muchos otros zeitgebers que se han agrupado bajo el término ‘NO
FOTICOS’.
El alimento (acceso a la comida) se ha propuesto como un potente zeitgeber
que puede:
-encarrilar ritmos diarios
-interactuar con los ritmos diarios encarrillados por el ciclo L:O
En base a las experiencias, se ha propuesto que en los peces podrían existir
dos osciladores circadianos:
-encarrillados por la luz (light entrained oscillator; LEO)
-encarrilados por el alimento (feeding entrained oscillator; FEO)
‘No hay pruebas concluyentes de la existencia de un oscilador autónomo
encarrilable por el alimento ’

17. Ejemplo: la restricciones de alimento como potencial zeitgeber
Propiedades:
3. Los ritmos circadianos presentan independencia térmica
4. Los ritmos circadianos están determinados genéticamente
Drosophila: gen per
Ratón: gen per1 / per2

18. ESTRUCTURA MOLECULAR DEL RELOJ CIRCADIANO
GENES RELOJ: su expresión es rítmica y condiciona la aparición de ritmos
finales en el individuo. Son la maquinaria molecular del reloj.
Entre estos genes destacan el per, frq, clock, bmal, cry, tim,…..
Su ritmicidad parece fundada en la existencia de bucles de retroalimentación
entre las proteínas resultantes de la transcripción del gen y un efecto
represor/activador de las mismas sobre la expresión de los genes reloj.
Se generan ritmos de expresión con un periodo similar al del ritmo final, es decir
24 horas (ambiente fluctuante, L:D) o próximo a 24 h (ambiente constate, DD)
Modelos de osciladores moleculares

19. • Circadian clock molecular network in vertebrates
Citoplasma Núcleo
Ckiε
CKIε
Clock CLOCK
BMAL1
(IV)
Bmal1
(III)
REV-ERBα
Rev-erbα (I)
Cry1
CRY2 CRY1 Cry2
PER 1/2
P Per1 +
Per2
-
(II) GCR
El modelo del reloj molecular en mamíferos propone que el dímero CLOCK-BMAL1 activa la transcripción de los genes Per y Cry
(I). Las proteínas CRY y PER forman multímeros que translocan al núcleo e inhiben la activación de la transcripción inducida por
CLOCK-BMAL1 (II). La retroalimentación negativa de las proteínas CRY y PER sobre la transcripción de sus propios genes es
retrasada por la fosforilación de las proteínas PER por acción de CKlε (III). La transcripción de Rev- erbα es también activada por
CLOCK-BMAL1 e inhibida por el complejo PER-CRY, produciendo una oscilación en los niveles de REV-ERBα, una proteína que,
a su vez, inhibe la transcripción de Bmal1 (IV). El resultado de estos ciclos de retroalimentación es la oscilación en los niveles de
ARNm y proteínas de varios de los genes reloj y de genes controlados por el reloj.
• Circadian clock molecular network in vertebrates
La luz directa o indirectamente actúa sobre las estructuras que contienen los
genes reloj, modificando la fase de los ritmos circadianos

20. EL SISTEMA CIRCADIANO
CICLOS AMBIENTALES
(luz, Tª, alimentación,
interacciones sociales, etc.)
ENTRADAS de información:
mediante los transductores
MARCAPASOS CIRCADIANO
DEL ORGANISMO
Genes reloj
SALIDAS del marcapasos:
neurales o humorales
(PK2,TGF-α, melatonina, etc.)
RITMOS MANIFIESTOS
(ritmos de actividad locomotora,
ritmos de alimentación...)
MODELOS DE ORGANIZACIÓN DEL SISTEMA CIRCADIANO

21. Estructura de sistema circadiano de los mamíferos
Ritmos manifiestos
[actividad locomotora, alimentación,
ritmos hormonales (melatonina)]
Ritmos ambientales Mecanismo detector Reloj Vias de salida
del factor ambiental biólógico
LOCALIZACION ANATOMICA DEL RELOJ CIRCADIANO
Invertebrados: estructuras ópticas o relacionadas con la detección lumínica.
Peces: Retina
Órgano pineal
Estructura hipotalámica (?)
Anfibios y Reptiles: Retina
Órgano pineal
Hipotalámo (?)
Aves: Retina
Órgano Pineal
Hipotalámo
Mamíferos: Retina
Núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo: reloj principal
La extirpación o alteración funcional de alguna de estas estructura va a
comprometer en mayor o menor medida a la expresión de los ritmos circadianos.
En estas estructuras se manifiestan actividades neurales y/o endocrinas rítmicas.
La luz es capaz de ajustar esos ritmos
Se expresan genes reloj con ritmos circadianos que responden a la luz.

22. Bases neurales de la ritmicidad: Núcleo supraquiasmático
Localización: base del hipotálamo,
dorsalmente al quiasma óptico
Núcleo pequeño: aprox. 10.000 neuronas.
Lesiones del NSQ
eliminan los ritmos
SNQX
Transplantes con tejido fetal
conteniendo los NSQ restauran los
ritmos circadianos de actividad
motora perdidos por lesión previa
del área.
Las neuronas del NSQ presentan ritmos
circadianos de actividad eléctrica
La función del marcapasos es intrínsica a las neuronas del NSQ

23. Alrededor de un 10% de
las neuronas del NSQ
expresan genes reloj de
forma rítmica. Estos ritmos
son endógenos y son
encarrilados por la luz.

24. Entradas de información al NSQ:
a) El tracto retinohipotalámico: vía fótica Neurotransmisores: Glu, SP
La estimulación de estas vías genera alteraciones en la fase de los ritmos
circadianos con CRF similares a las de la luz.
Es la principal vía para la sincronización de los ritmos circadianos.
b) Laminilla intergeniculada lateral: via fótica y no fótica
c) Núcleos del Rafe : información no fótica. Neurotansmisor serotonina
d) Otras: diferentes áreas hipotalámicas, talámicas y mesencefálicas

25. Salida de información desde el reloj del NSQ