EL TIEMPO NO ESPERA A NADIE

(los ritmos biològicostampoco)

Diego A. GolombekUniversidad Nacional de Quilmes/CONICET

Entre el día y la nocheEntre el día y la 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

¿Dónde está el tiempo?

Otros dioses…

• 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 olvidé de 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.

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.

La primera demostración de un ritmo circadiano por Jean Jacques d’Ortous de Mairan en 1729

de Mairan

Darwin

Los malditos biorritmos

Fliess

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.

Los ritmos ocurren en todos los niveles

de organización

QUIMICO

Expresión génica, actividad eléctrica, síntesis y liberación de neurotransmisores.CELULAR

FISIOLÓGICO Temperatura, presión arterial, frecuencia cardíaca, niveles de hormonas en sangre.

CONDUCTUAL Conducta alimentaria, ciclo sueño/vigilia, actividad locomotora.

CELULAR FISIOLOGICO

POBLACIONALCONDUCTUAL

Y en todo bichoque esté en unplaneta que gira!

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

Otros tiempos…

•Edad•Metabolismo•Interés•Fármacos

reloj NSQ

¿Cómo se pone en hora?¿Cómo se pone en hora?

¿Cómo controla los ritmos del cuerpo?¿Cómo controla los ritmos del cuerpo?

zeitgeber

ritmos

L:O

Actividad

¿Dónde está el reloj? ¿Cómo funciona?¿Dónde está el reloj? ¿Cómo funciona?

¿Endógeno o exógeno?

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. CortázarJ. Cortázar

El tiempo entra por los ojos.Eso lo sabe cualquiera

Julio Cortázar

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 BIOLÓGICOLOS NSQ COMO UN RELOJ BIOLÓGICO

•Localización•Ablación•Autonomía•Explanto•Células•Transplante

4040XX

Mutaciones circadianas

Hamster Tau Yo soy mutanteporque el mundome ha hecho así...

Ratón Clock

¿CÒMO SE SOSTIENE LA ACTIVIDAD CIRCADIANA DE UNA CÈLULA?

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

¿Qué le dice la luz al reloj?

La luz es el principal agente sincronizador del reloj

Película Quicktime

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

adva

nces

dela

ys

012 24

Phas

e sh

ifts

Circadian time (hours)

Photic PRC

Ca2+

IP3R

RyR

ER

Segundos mensajeros

Enzimas

Genes reloj

Δ fase

GluCa2+

NMDA-R

Light

GMPc

CaMKII

Ca2+-Calmodulina

↑Ca2+

NOS

GluCa2+

NMDA-R

Luz

NO

PKG

GC

NOcGMP

Adelanto de fase

?

Retraso de fase

Noche tardíaNoche temprana

Ca2+

IP3R

RyR

ER

PDE

?

cGMP in the SCN

cGMP-IR in the hamster suprachiasmatic nucleus using (A) avidine-biotine and DAB as a staining or (B) avidine-rhodamine and fluorescence. Abbreviations: SCN, suprachiasmatic nucleus; 3V, third ventricule; OC, optic quiasm

3V

SCN

OC

BA

3V

OC

3V

OC

3V

OC

3V

OC

3V

OC

3V

OC

A B C D

E F G H

Rol de cGMP en el sistema circadiano

¿Glial o neuronal?

cGMP/GFAP

cGMP/NeuN

Barras de escala: 100 μm (A-C, E-G) y 20 μm (D, H).

Variaciones diarias y circadianas de cGMP

en los NSQA

fmol

es c

GM

P / μg

pro

tein

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35 (n=11)(n=10)

(n=17)

(n=9)

(n=10)

(n=13)

(n=11)(n=10)

(n=17)

(n=9)

(n=10)

(n=13)

** **

4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24

*

#

*

#

LD

B

CT

fmol

es c

GM

P / μg

pro

tein

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

(n=5)

(n=6) (n=6)

(n=5)(n=5) (n=5) (n=5)

(n=4)

(n=5)

(n=4)

(n=6) (n=6)**

4 8 12 16 20 244 8 12 16 20 24

# #

** **

DD

Valores máximos durante el día

Los niveles y actividad de PKG también son rítmicos!

B

CT

fmol

es P

i / μ

g pr

otei

n x

5 m

in

200

400

600

800

1000

1200

1400

4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24

#

* *

** **#

ZT

A

fmol

es P

i / μ

g pr

otei

n x

5 m

in

200

400

600

800

1000

1200

1400

4 8 12 16 20 24 4 8 12 16 20 24

* *

# #

20 24 04 08 12 16 20 24 04 08 12 16

CTRL Pulse CTRL Pulse

pmol

es c

GM

P / μ

g pr

otei

n

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

CT14 CT 18

*

A cGMP levels in the SCN

CTRL Pulse CTRL Pulse

fmol

esPi

/ μg

prot

ein

x 5

min

0

50

100

150

200

250

300

CT14 CT 18

*

cGK activity in the SCNB

A: a 5-min light pulse increases cGMP levels at CT 18 but not at CT 14 (modified from Ferreyra and Golombek, 2001).

B: PKG activity significantly increased after a 5-min light pulse at CT 18 but was unaffected by the same photic stimulus at CT 14 (Golombek et al, 2004)

La vía PKG está involucrada en los avances de fase fóticos

La inhibición de la vía bloqueda los cambios de fase

phas

e sh

ift (h

)0

1

2

3

* *

Vehicle ODQ KT-5823

Inhibition of light-inducedphase advances by ODQ (GC blocker) or KT-5823 (PKG blocker)

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

La actividad de PDE es rítmica en

los NSQ

¿Cómo usar esto en términos prácticos? ¿Qué sucede si se inhibe la PDE de GMPs?

VIAGRA PARA TODO EL MUNDO!

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 acelera la resincronización luego de un avance de 6 horas en el ciclo luz/oscuridad

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

****

CONCLUSIONES

El incremento en los niveles de cGMP, a través de la inhibición de PDE-5, acelera la resincronización frente a adelantos del ciclo luz/oscuridad.

Las enzimas CaMKII y nNOS participan en la vía de señalización fótica, mediando tanto los retrasos como los adelantos de fase.

La vía cGMP – GC – PKG es específica para adelantos de fase y está implicada en la activación por luz de los genes reloj per.

El óxido nítrico podría actuar como un mensajero intercelular que comunica a las distintas regiones de los NSQ.

La isoforma 5 de PDE (PDE-5) está presente en el reloj biológico de mamíferos.

REPERCUSIONES

REPERCUSIONES

REPERCUSIONES

The IgNobel prize

¿Y CON ESTO QUÉ?¿Y CON ESTO QUÉ?

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

Cronotipos

•Bases fisiológicas•Desarrollo•Pautas sociales

•BUHOS

•ALONDRAS

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.

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•Alteraciones de amplitud

Factores endógenos•alteraciones del sueño

•Insomnio por retraso de fase•Insomnio por adelanto de fase•Período diferente de 24 horas•Disminución de la amplitud

Cronobiótico:sustancia que muevelas agujas del reloj

¿Melatonina como cronobiótico?

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

Cuando viajamos a Europa, nuestra alma tarda unos días más en llegar (García Márquez)

Factores exógenos•jet-lag

Un estudio de pilotos de aviación

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

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!

¿A QUE HORA JUGAMOS?

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

•Tratamiento de trastornos circadianos:-Jet Lag-Shiftwork-Alteraciones de fase del sueño-Sundowning, SAD-Sincronización

•Cronoasesorías

Entonces… perspectivas de aplicaciónEntonces… perspectivas de aplicación

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

Ritmos y sociedad?

¿Es que estamos hechos para un mundo que ya no existe?

¿O aún existe ese mundo?

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)

CAMBIOS FOTOPERIODICOS ANUALES

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?

X Data

despertar dormir vigilia

hora

s

0

5

10

15

20

25

veranoinvierno

¡Humanos estacionales!

*

*

Formas de despertar por la mañana

gallo famliar despertador solo claridad

%

0

10

20

30

40

50

Formas de despertar por la mañana

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

Consultas médicas a lo largo del año

Y, por supuesto… ¡el horario de verano!

versus

El tiempo fluye más lentamente lejos del centro de la Tierra

El tiempo es visible

Un mundo en el cual causa y efecto son erráticos

En este mundo hay dos tiempos. Un tiempo mecnánico y un tiempo orgánico

En este mundo el tiempo es como el fluir del agua

El tiempo es un círculo que se dobla sobre sí mismo

Imaginen un tiempo en el que no hay tiempo. Sólo imágenes

Un mundo en el que la gente vive sólo un díaImaginen que la gente vive para siempre

El tiempo no es una cantidad sino una cualidad, como la luminosidad de la noche... El tiempo existe pero no puede ser medido

En este mundo el tiempo es una dimensión visible

En este mundo, el tiempo es un fenómeno local

Factores endógenos•envejecimiento

... el tiempo no espera a nadieFreddie Mercury

•Cambios en amplitud•Cambios en sincronización•Desaparición de neuronas

Factores endógenos•trastornos psiquiátricos

¿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

•Depresión mayor•Enfermedad bipolar•Trastorno afectivo estacional

“Hibernación”Cambios dietariosCambios en el sueñoMigraciónFototerapia

•Modelos animales

El laboratorio de cronobiología de la UNQ