Ritmos circadianos. El Sistema Circadiano

Debido a su importancia para la supervivencia de las especies, la selección natural ha favorecido que todos los organismos, desde procariotas hasta la especie humana, posean relojes que generan oscilaciones con períodos de aproximadamente 24 horas (reloj circadiano). Aunque las bases moleculares del reloj circadiano de los vertebrados se basan en unos mecanismos básicos comunes, su organización anatómica y funcional difiere entre los distintos grupos de animales. El sistema circadiano de mamíferos es un complejo de estructuras neuronales que proporcionan esta ritmicidad. Su componente principal o reloj circadiano, son los núcleos supraquiasmáticos (NSQ) del hipotálamo anterior, formado por dos pequeños núcleos compuestos por 10.000-15.000 neuronas (Swaab et al., 1985; Cassone et al., 1988; Slat et al., 2013). Estos actúan como marcapasos central, llamados así porque funcionan automáticamente con un período de algo más de 24 horas (24,2h) (Czeisler et al., 1999). Debido a los NSQ y a las señales circadianas que emite, se encarrilan las oscilaciones internas circadianas, entre las que destaca el ritmo de actividad-reposo, la temperatura corporal y la liberación de muchas hormonas (Ortiz-Tudela et al., 2012, Madrid, 2015).

Sin embargo, para que este reloj natural mantenga este periodo es necesario que el organismo reciba las señales de los sincronizadores (zeitgebergs) que lo mantengan.

Los zeitgebergs (en alemán “dador de tiempo”) son los agentes externos o internos que son capaces de encarrilar un ritmo endógeno (Madrid & Rol de Lama., 2006). Su alteración o la debilidad de los mismos puede ocasionar desincronización.

Los ritmos circadianos, y en general los biológicos, no son generados por las señales cíclicas de nuestro entorno. De hecho, una característica importante es que los ritmos biológicos persisten cuando las condiciones ambientales se mantienen constantes.

Esta es la demostración definitiva de la existencia de un reloj endógeno que genera los ritmos biológicos. Aunque el NSQ sea el macapasos central, sería más correcto definirlo como un sincronizador principal, capaz de unificar las fases celulares del cuerpo (Yoo et al., 2004). Esto es así, porque las neuronas aisladas del NSQ son capaces de mostrar ritmos circadianos por su cuenta (Balsalobre et al., 1998; Brown &

Azzi, 2013; Tosini & Menaker, 1996; Yamazaki et al., 2000), por tanto, se puede afirmar

Tudela et al., 2014). El NSQ se sincroniza con la luz, una de los sincronizadores ambientales más importantes y potentes, y lo hace mediante fotorreceptores específicos de las células ganglionares de la retina, las cuales contienen la melanopsina, (ipRGCs, del inglés intrinsically photosensitive retinal ganglion cells) que a diferencia del resto de las células ganglionares, son intrínsecamente fotosensibles (Lucas et al., 1999; Güler et al., 2008). La melanopsina es un fotopigmento sensible a las longitudes de onda de alrededor de 480 nm (Berson, 2007; Hankins et al., 2008). La información lumínica viaja a través del tracto retinohipotalámico (TRH) hasta el NSQ (Berson et al., 2002; Hattar et al., 2002). El NSQ informa del ritmo al resto del cerebro y cuerpo a través de un conjunto de señales neurales, humorales y sistémicas (Brown &

Azzi, 2013). Una de las principales es la melatonina.

La melatonina, es una neurohormona producida principalmente, pero no exclusivamente, en la glándula pineal (Ortiz- Tudela, 2015). Actualmente se conoce que su síntesis también se produce en órganos extraparietales no endocrinos, como el cerebelo, el tracto gastrointestinal, el sistema inmunitario y la retina (Guerrero et al., 2007). La síntesis de la melatonina está regulada por estimulación noradrenérgica y por una acción inhibitoria directa de la luz (Figura 4). Así, su síntesis presenta un marcado ritmo circadiano, con niveles altos de hormona durante la oscuridad y con niveles bajos durante el período lumínico. Al ritmo circadiano de la melatonina también se le conoce como la "oscuridad química" (Madrid & Rol de Lama, 2015).

La síntesis de melatonina en la glándula pineal se inicia con la ausencia de luz en el momento en que el NSQ recibe los impulsos nerviosos desde la retina (despolarización de las células ganglionares de la retina) a través del tracto retino-hipotalámico (TRH) y que deja de inhibir la acción estimuladora del núcleo paraventricular (NPV) sobre la columna intermediolataral (IML) de la médula y al ganglio cervical superior, donde las fibras sinápticas postganglionares liberan noradrenalina (NA) (Lobato, 2015). La liberación de la noradrenalina provoca una cascada enzimática en el pinealocito, a partir de la síntesis de su precursor L-triptófano que se transforma en serotonina y al final en N-acetil serotonina por el enzima clave del proceso, la N-acetiltransferasa (NAT) cuya síntesis es rítmica y controlada indirectamente por el NSQ (Pandi-Perumal el al., 2007). Finalmente el enzima hidroxindol-O-metiltransferrasa (HI-OMT) transforma la N-acetil serotonina en melatonina (Figura 4). El control de NSQ en la síntesis de melatonina se lleva a cabo a través del núcleo paraventricular del hipotálamo que envía proyecciones a la columna intermedia de la médula espinal, al ganglio cervical superior y finalmente, alcanza la glándula pineal que produce melatonina (Figura 4) (Benarroch, 2008). Una vez sintetizada, es liberada al torrente sanguíneo a través de difusión simple, donde se dirigirá a las células y tejidos diana como el cerebro. La melatonina no se almacena, la mayor parte (85-90%) es metabolizada en el hígado (Lobato, 2015). El metabolito 6-sultatoximelatonina

presente en la orina es representativo de la producción diaria de la hormona (Guerrero et al., 2007; Pandi-Perumal et al., 2008; Cardinali & Sánchez-Barceló, 1994) y, además, es la muestra más fácil de recoger sin causar grandes molestias a los sujetos. El ritmo de melatonina plasmática con valores altos durante la noche y bajos durante el día han llevado a los organismos a utilizarla como reloj diario, de modo que unas concentraciones plasmáticas elevadas indican que es de noche y valores bajos que es de día. Además, la duración de la secreción elevada de melatonina es utilizada por los animales para identificar la estación, de forma que una concentración de melatonina alta durante más tiempo cada día indica invierno y si el tiempo que permanece elevada es más breve es señal de verano (Claustrat et al., 2005). Todas estas propiedades han hecho del ritmo circadiano de la melatonina un ritmo marcador del sistema circadiano.

Figura 4. Vía de señalización retina-pinealocítica. (modificado de Reiter, 1991).

El sistema circadiano también cuenta con osciladores periféricos en casi todas las células del cuerpo rítmicamente expresan los genes reloj (Cuninkova & Brown, 2008, Kornmann et al., 2007, Schibler, 2009, Stratmann et al., 2006; Vansteensel et al., 2008), y muestran ritmos circadianos consistentes y sincronizados que dependen del NSQ. Virtualmente cada célula del organismo tiene un reloj molecular circadiano, que

expresión génica en mRNA y proteínas con un período de aproximadamente 24 horas (Huang et al., 2011; Ko et al., 2006). El reloj de mamíferos se compone, por el momento, de tres genes Periodo (Per1, Per2 y Per3), dos genes Cryptochrome (Cry1 y Cry2), el gen BMAL1 y el gen ClOCK regulando su propia transcripción (Figura 5). La expresión de estos genes se mueve entre máximos y mínimos con periodos cercanos a las 24 horas por modificaciones postranscripcionales que incluyen fosforilación, en los que la Casein quinasa 1 epsilon (CK1ε) y la Casein quinasa 1 delta (CK1δ) juegan un importante papel (Reppert et al., 2002).

Figura 5. Reloj molecular en mamíferos. Se observan dos vías, la activadora (color rojo) con las proteínas CLOCK y BMAL1 Y la inhibidora (color morado) con PER y CRY (modificado de Reppert &Weaver, 2002).

La ritmicidad 24h de este reloj molecular se mantiene principalmente por modificaciones como fosforilación, ubiquitinación y translocación de las proteínas del reloj en el núcleo.

En resumen, el sistema circadiano de los mamíferos se compone por tres elementos principales: relojes, señales de entrada (implicadas en la sincronización con el ambiente) y las señales de salida, los cuales transmiten las señales temporales en el resto de efectores (Figura 6).

Figura 6. Organización general del sistema circadiano (modificado de Garaulet, 2010).