il tempo, la chimica e i pacemakers

E' uscito sul numero di maggio de The Scientist un'interessante articolo sul metabolismo, il ritmo circadiano  e l'ossidazione della perossiredoxina, una proteina presente dai batteri alle piante al mondo animale, e componente autonomo del complesso sistema che tiene il tempo, e fa da "pace-maker"   annotando il ciclo o ritmo circadiano della vita cellulare.

In pratica, alcuni amminoacidi contenenti residui sulfidrilici, (metionina, cisteina) hanno la tendenza a reagire con l'anione superossido, ed ossidarsi nell'arco delle 24 ore. E' noto che i gruppi -SH sono soggetti a ossidazione, e vengono modificati in presenza di ossido nitrico, dando vita a ossidazioni reversibili, regolate da  sistemi redox, come il glutatione, tripeptide che assimila su di sè  i gruppi idrossile e da  enzimi riducenti (e cofattori vitamine).   

• L'anno scorso, Akhilesh Reddy e colleghi dell'Università di Cambridge nel Regno Unito hanno dimostrato che almeno un componente della macchina dell'orologio circadiano non è coinvolto nella trascrizione di geni periodici- ma si tratta di una famiglia di proteine antiossidanti,  perossiredoxine, spugne capaci di assorbire il perossido di idrogeno in eccesso nelle cellule in 24 ore di ossido-riduzione dei cicli legati al metabolismo.  Il team di Reddy ha scoperto che queste proteine, che si trovano in ogni organismo, presentano oscillazioni durante i cicli circadiani, nell'uomo, nel topo e nelle alghe marine. "Per dimostrare che  gli organismi eucarioti avevano questi ritmi,  abbiamo deciso di approfondire lo studio nei  batteri ed archeobatteri", ha detto Reddy. Nello studio più recente, il suo team ha esaminato i ritmi di ossidazione perossiredoxina in Synechococcus elongatus, una  cianobatterio di acqua dolce, e Halobacterium salinarum , un archeobatterio marino aerobico. Ogni organismo è stato mantenuto a luce e temperatura costante per 48 a 72 ore, durante i quali i ricercatori hanno prelevato campioni periodicamente per vedere se le peroxiredoxine erano ossidate o no. In entrambe le specie, le proteine ​​hanno mostrato robuste oscillazioni di ossidazione che seguivano una ciclo di 24 ore.
  

  Il team ha inoltre esaminato il legame tra i meccanismi di clock precedentemente identificati e la perossiredoxina: quando i geni orologio sono mutati, in Drosophila ed  Arabidopsis, i cicli redox della perossiredoxina continuano senza interruzioni. Ciò suggerisce che entrambi i componenti tradizionali (ciclo circadiano regolato da fattori di trascrizione-traduzione in proteine, nei nuclei soprachiasamtici nell’ipotalamo) e la  perossiredoxina lavorano indipendentemente per generare i ritmi circadiani di un organismo.

Per quanto riguarda l'orologio biologico o ritmo circadiano, si tratta di una sequenza ordinata di attività : un complesso proteico sequenstrato nel citoplasma, la liberazione di un inibitore,  

I fattori di trascrizione Cyc (cycle) detto anche Bmal, e  Clock, dimerizzano e sono trasportati nel nucleo, si legano al DNA in regioni specifiche e fanno produrre proteine che variano circadianamente: Per, acronimo di period, e i criptocromi (Cry) chiamati anche Timeless.

Nell'uomo il segnapasso o pace maker è nell'ipotalamo, è formato da fattori di trascrizione che hanno una vita inferiore alle 24 ore e sono trasportati ciclicamente dal citoplasma al nucleo, 

Schema del ritmo circadiano nelle piante (transcriptional feedback loop in Arabidopsis.

LHY and CCA1 negative elements,  repression against TOC1 in the morning 

 TOC1 a positive element because it results in increased transcription of LHY and CCA1 during the evening because of its accumulation)

Nelle piante, i criptocromi sono importanti per la produzione giornaliera di fotorecettori

• Facella et al., Gibberellin and auxin influence the diurnal transcription pattern of photoreceptor genes via CRY1a in tomato.  PLoS One. 2012;7(1):e30121)

Questo meccanismo conferma quanto è saputo ed avviene anche negli animali.

In particolare riguardo ai criptocromi, nei pesci adattati all'oscurità (cavefish, Phreatichthys andruzzii), si è persa la risposta alla luce visibile, ed i recettori  delle opsine,   TMT-opsin e Melanopsin servono da fotorecettori del tessuto periferico leganti  il cromoforo retinale, in lunghezze d'onda del non-visibile.

Invece, è assente un  segnapasso  in sintonia con le variazioni di temperatura.
Allora quali sono i meccanismi che segnano il  tempo nei pesci ciechi? 

 - un orologio funzionale basato sui cicli di feeding e non sull'alternanza giorno-notte

-  Rest activity cycling, RA

• Cavallari et al.  A Blind Circadian Clock in Cavefish Reveals that Opsins Mediate Peripheral Clock Photoreception. PLoS Biol 9(9): e1001142.

Per concludere, si può agire sul metabolismo cellulare, regolante l'ossidazione delle perossiredoxine,  perchè l'abbassamento del metabolismo influenza il ritmo veglia sonno durante l'ibernazione,  che si può imitare per controllare  lo scorrere del tempo biologico.

Due branche della scienza interessate sono:

- la medicina dei trapianti d'organo, mediante peptidi che inducono l'ibernazione, 
- e la scienza e tecnologia dei viaggi spaziali 

• Körtner G, Geiser F. The temporal organization of daily torpor and hibernation: circadian and circannual rhythms. Chronobiol Int. 2000 Mar;17(2):103-28.
• Revel et al. The circadian clock stops ticking during deep hibernation in the European hamster. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007  104:13816-20.  "melatonin, rhythm-generating enzyme, whose rhythmic expression in the pineal gland is controlled by the master circadian clock, no longer exhibits day/night changes of expression but constantly elevated mRNA levels over 24 h"

Questo post vuol essere un contributo all'edizione di giugno, N. 18, del Carnevale della Chimica, ospitato sul blog di Emanuela Zerbinatti "Arte e salute", dedicata alla "chimica del cambiamento nel tempo".