Qual è il processo biologico alla base del ritmo circadiano?

I ritmi circadiani sono cicli endogeni, di circa 24 ore, che regolano molti processi fisiologici e comportamentali negli organismi viventi. Il processo biologico primario alla base della generazione del ritmo circadiano è il funzionamento dell’orologio circadiano, un meccanismo interno di cronometraggio. L’orologio circadiano è composto da una rete di geni e proteine ​​che interagiscono per produrre modelli ritmici di espressione genica, sintesi proteica e funzioni fisiologiche.

Ecco una panoramica semplificata del processo biologico alla base del ritmo circadiano:

1. Geni dell'orologio :L'orologio circadiano è controllato principalmente da un insieme di geni dell'orologio, che codificano per le proteine ​​dell'orologio. Questi geni includono i geni dell'orologio centrale come Clock, Bmal1, Per1, Per2, Cry1 e Cry2.

2. Ciclo di feedback trascrizione-traduzione :I geni orologio sono coinvolti in un ciclo di feedback trascrizionale-traduzionale che regola la loro stessa espressione. Le proteine ​​Clock e Bmal1 dimerizzano e attivano la trascrizione dei geni Per e Cry. Le proteine ​​PER e CRY si accumulano nel citoplasma e si traslocano gradualmente nel nucleo. Nel nucleo inibiscono l'attività di Clock-Bmal1, reprimendo così la propria trascrizione. Questo ciclo di feedback negativo genera un'oscillazione ritmica dell'espressione del gene dell'orologio.

3. Modifiche post-traduzionali :Le modifiche post-traduzionali, come la fosforilazione e l'ubiquitinazione, svolgono un ruolo cruciale nella regolazione della stabilità, dell'attività e delle interazioni delle proteine ​​orologio. Queste modifiche mettono a punto la ritmicità dell’orologio circadiano e la risposta ai segnali ambientali.

4. Ingresso luce e sincronizzazione :L'orologio circadiano è sincronizzato con l'ambiente esterno, in particolare con il ciclo luce-buio, attraverso la struttura primaria sensibile alla luce nei mammiferi, la retina. Cellule gangliari retiniche specializzate contenenti fotopigmenti (melanopsina) trasmettono segnali luminosi al nucleo soprachiasmatico (SCN) nell'ipotalamo. L’SCN funge da pacemaker circadiano centrale e sincronizza gli orologi periferici in tutto il corpo.

5. Vie di output e regolazione fisiologica :L'orologio circadiano regola un'ampia gamma di processi fisiologici attraverso percorsi di output che coinvolgono l'espressione genica, il rilascio di ormoni e la segnalazione neurale. Controlla i cicli sonno-veglia, le fluttuazioni della temperatura corporea, le funzioni metaboliche, la secrezione ormonale e molti altri processi ritmici.

6. Orologi periferici :Oltre all'orologio centrale nel SCN, la maggior parte dei tessuti e degli organi periferici hanno il proprio orologio circadiano. Questi orologi periferici sono sincronizzati con l’orologio centrale ma possono anche mostrare ritmi specifici dei tessuti guidati da segnali locali, compresi i cambiamenti di temperatura e la disponibilità di nutrienti.

L’orologio circadiano, con i suoi intricati meccanismi molecolari e la sincronizzazione con segnali esterni, consente agli organismi di anticipare e adattarsi ai cambiamenti ambientali quotidiani, ottimizzare i processi fisiologici e mantenere l’omeostasi e il benessere generale.