El ritmo circadiano y el metabolismo

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Ritmo circadiano
El reloj interno de 24 horas controla muchos aspectos del comportamiento y de la fisiología humana, el sueño, la presión arterial y el metabolismo

RITMOS CIRCADIANOS – CÓMO FUNCIONA EL SUEÑO

Todos los animales y plantas tienen un ritmo circadiano incorporado, que es ajustado o modificado por señales externas, conocidas como Zeitgebers (una palabra alemana que significa “dadores de tiempo”), la más importante de las cuales es la luz del día. El reloj circadiano interno del cerebro (también conocido como el reloj biológico, reloj del cuerpo, marcapasos circadiano, sistema circadiano, oscilador circadiano, etc.), que está centrado en la región hipotálamo del cerebro basal, utiliza estos Zeitgebers para sincronizarse o reajustarse naturalmente cada día a unos pocos minutos del ciclo de rotación de 24 horas de la Tierra (la palabra “circadian”).

¿ El período circadiano corresponde a 24 horas exactas ?

Las primeras investigaciones realizadas en los años sesenta y setenta (incluyendo algunos experimentos famosos en cuevas) habían concluido que el período circadiano “libre” natural de los seres humanos era de alrededor de 25 horas, no las 24 horas esperadas. Sin embargo, investigaciones posteriores (como la de Charles Czeisler et al en 1999) mostraron que estos experimentos eran defectuosos, y que incluso la presencia de iluminación eléctrica era suficiente para distorsionar los resultados. Ahora está claro que, aunque los períodos circadianos individuales varían -que oscilan entre 23,5 y 24,5 horas en humanos, dependiendo de las variaciones en el PER de la persona o gen del período- tienen una media de alrededor de 24,2 horas, sólo un poco más que la rotación de la Tierra. Alrededor del 25% de las personas tienen un período circadiano que es ligeramente inferior a las 24 horas del día, y el 75% tiene un período circadiano ligeramente superior a las 24 horas.




El reloj circadiano del cerebro regula los patrones de sueño y alimentación, estado de alerta, temperatura corporal central, actividad de las ondas cerebrales, producción de hormonas, regulación de los niveles de glucosa e insulina, producción de orina, regeneración celular y muchas otras actividades biológicas. Las hormonas más importantes afectadas por el reloj circadiano, al menos en la medida en que afectan el sueño, son la melatonina (que se produce en la glándula pineal en el cerebro, y que químicamente causa somnolencia y baja la temperatura corporal) y el cortisol (producido en la glándula suprarrenal, y se utiliza para formar la glucosa o el azúcar en la sangre y para permitir las funciones antiestrés y antiinflamatorias en el cuerpo).

ritmo-circadiano

El reloj circadiano biológico humano (imagen de Wikipedia)

Una de estas proteínas, llamadas Rev-erb alfa, se cree que tienen un papel secundario porque el reloj funciona con bastante normalidad en su ausencia. Un nuevo estudio publicado en Genes and Development desde el laboratorio de Mitchell Lazar, director del Instituto de Diabetes , Obesidad y Metabolismo de la Facultad de Medicina de Perelman de la Universidad de Pennsylvania, mostró que una proteína estrechamente relacionada llamada beta Rev-erb sirve como respaldo para Rev-erb alfa. Cuando ambas proteínas no están funcionando, el reloj celular pierde su función de control de tiempo.



La hormona del crecimiento, esencial para los procesos de reparación y restauración del cuerpo, también se secreta durante el sueño, particularmente durante el sueño profundo no REM, al igual que otras hormonas como la testosterona. La tirotropina (o la hormona estimulante de la tiroides), por otra parte, se inhibe o suprime activamente durante el sueño. Sin embargo, a diferencia de la melatonina y el cortisol (que dependen casi por completo del reloj circadiano, independientemente de si un individuo realmente duerme o no), estos efectos hormonales parecen estar regulados por el sueño real y no por los ritmos circadianos per se.

Vamos a desarrollar el contenido pero como resumen destacar que com hemos visto los Ritmos circadianos son los ritmos que siguen al “reloj interno” de todos los seres vivos. Estos ritmos estarán condicionados por:

  • Periodos cercanos a las 24 horas.
  • Variaciones de la Temperatura.
  • Variaciones de Luminosidad.
  • Ritmos ambientales que posean un valor de periodo aproximado de 24 horas
  • Los ritmos son endógenos (Ley de Aschoff)

 

ritmo-circadiano-relojLos seres humanos son animales diurnos, naturalmente activos durante el día, y nuestros ritmos circadianos así lo reflejan. En términos generales, para que el sueño se produzca en la parte “correcta” del ciclo circadiano, el tiempo de la temperatura corporal mínima y la concentración máxima de melatonina debe ocurrir hacia el final del período de sueño. Como una guía aproximada, la temperatura central generalmente alcanza su mínimo alrededor de las 4:30-5:00am por la mañana en adultos humanos, y la melatonina (normalmente completamente ausente durante las horas diurnas) típicamente comienza a ser producida alrededor de las 8:00-9:00 pm por la noche y se detiene alrededor de las 7:00-8:00 am por la mañana. La tendencia más profunda a la somnolencia ocurre en medio de la noche, alrededor de las 2:00-3:00 am, junto con un período de somnolencia más corto y poco profundo (a menudo conocido como el “chapuzón post-almuerzo”) unas doce horas más tarde, alrededor de las 2:00-3:00 pm en la tarde.




Físicamente, el reloj circadiano está situado en el núcleo suprachiasmático (SCN) en el hipotálamo del cerebro, uno en cada hemisferio cerebral. El SCN es un área diminuta del tamaño de una cabeza de alfiler, que contiene sólo unas 20.000 neuronas muy pequeñas, pero tiene la responsabilidad de enviar señales a varias otras partes del cerebro para regular el ciclo diario de sueño-vigilia, la temperatura corporal, la producción de hormonas y otras funciones. De hecho, se ha encontrado que las neuronas individuales que componen el SCN exhiben un ritmo de actividad de casi 24 horas, sugiriendo que el mecanismo del reloj funciona realmente en un nivel subcelular. Cuando se disocian del SCN, las células individuales siguen sus propios ritmos intrínsecos de 24 horas, pero, cuando se incorporan al SCN, todas ellas se disparan en sincronía. En experimentos con ratones en los que se elimina completamente el SCN, los ratones (que normalmente son mucho más activos durante la noche y duermen más durante el día) muestran poca o ninguna preferencia por el tiempo activo y el tiempo de sueño, y su actividad es esporádica y aparentemente aleatoria durante el día y la noche.

El reloj circadiano chequea su precisión cada día utilizando Zeitgebers externos, principalmente el ciclo luz-oscuro. La exposición a la luz natural del día estimula una vía nerviosa de células ganglionares fotorreceptoras especiales en la retina del ojo, células que están totalmente separadas de las varillas y conos que nuestros ojos utilizan para generar nuestra imagen cotidiana del mundo. Estas células contienen un pigmento único sensible a la luz llamado melanopsina, y son más sensibles a la longitud de onda corta “luz azul”. Incluso muchas personas ciegas pueden responder a estas señales claras y oscuras, ya que las células fotorreceptoras de los ojos pueden reconocer la luz del día, incluso a través de los párpados cerrados. Las señales de luz-oscuridad se envían a través del nervio óptico al núcleo suprachiasmático, que las utiliza para reajustar su propio reloj circadiano cada día.

Ciclo circadiano Alimentación

El reloj biológico no requiere luz para funcionar, y el ciclo circadiano se mantiene con bastante precisión incluso cuando los individuos están completamente aislados de la luz del día. El ciclo claro-oscuro (en concierto con otros Zeitgebers como las comidas, la temperatura ambiente, etc.), actúa simplemente como una señal externa para resincronizar o arrastrar el cronometraje de los ritmos biológicos, y para evitar la acumulación de pequeños errores de cronometraje. Sin esta importante comprobación, el sistema circadiano puede quedar gravemente desequilibrado. Por ejemplo, la iluminación mucho más tenue de las luces artificiales no suele ser suficiente para activar este reajuste del reloj circadiano, razón por la cual los trabajadores del turno de noche nunca se adaptan completamente a sus patrones de sueño antinaturales. Se ha demostrado que el simple aumento de la intensidad lumínica diurna en los lugares de trabajo y en las residencias de ancianos puede mejorar significativamente sus regímenes de sueño, reducir el declive cognitivo y mejorar los trastornos del estado de ánimo.




Ritmo Circadiano en Bebés

EL RITMO CIRCADIANO EN EL FETO

El ritmo circadiano humano está presente a partir de la semana 30 de gestación. El “reloj biológico” oscila en el feto humano debido aparentemente a señales maternas, y lo ayuda a prepararse para la vida extrauterina.

Las variaciones circadianas del contenido de melatonina en la glándula pineal aparecen durante la tercera semana de vida extrauterina. Según otros trabajos, si bien la pineal del recién nacido segrega melatonina, no se establecen cambios diurnos hasta el cuarto día de vida. Estudios recientes sugieren que el feto percibe la longitud del día a través de la transferencia de melatonina materna. Existe una comunicación unidireccional entre el reloj biológico materno y el feto.

Los patrones de sueño irregulares de los bebés recién nacidos ocurren porque los ritmos circadianos necesitan más tiempo para desarrollarse, y la mayoría de los bebés han establecido un ciclo más o menos regular de sueño-vigilia de los tres a seis meses de edad. Curiosamente, algunos animales árticos sólo muestran evidencias de ritmos circadianos durante las épocas del año con amaneceres y puestas de sol más o menos regulares (primavera y otoño), mientras que otros han demostrado incluso mantener sus ritmos circadianos a través de períodos prolongados de luz solar u oscuridad. Para las personas que viven en lugares lejanos del norte, otros Zeitgebers, como las horas de comida, los tiempos de alarma, las luces de la casa, etc., se vuelven relativamente más importantes, de modo que las personas que viven en Alaska o el norte de Suecia todavía pueden funcionar más o menos normalmente durante la larga oscuridad del invierno.

Ritmo circadiano hormonas

Además de regular la producción de hormonas, la temperatura corporal, etc., el SCN también envía un pulso de alerta durante todo el día (a veces conocido como sistema circadiano de alerta) que contrarresta la creciente presión homeostática del sueño. Estos pulsos de alerta del SCN alcanzan su pico alrededor de 2-3 horas antes de la hora habitual de acostarse (a veces conocida como la “zona de mantenimiento del estela”), que sirve para compensar el impulso homeostático que se ha estado acumulando continuamente durante las horas de vigilia, permitiendo que el estado de alerta continúe hasta altas horas de la noche. A medida que la noche progresa, sin embargo, los pulsos de alerta del SCN comienzan a debilitarse, la producción de melatonina en la glándula pineal aumenta (también bajo la dirección del SCN), y la “puerta del sueño” (también conocida como la zona de somnolencia primaria o zona de inicio del sueño) se abre, y la necesidad de dormir aumenta dramáticamente.




También hay otros relojes biológicos secundarios o periféricos en todo el cuerpo, como en el hígado, corazón, páncreas, riñones, pulmones, intestinos e incluso en la piel y los linfocitos, todos los cuales muestran oscilaciones diarias naturales. Estos órganos son en gran medida arrastrados independientemente por factores como la sincronización de las comidas, las temperaturas ambiente, etc., más que por el ciclo luz-oscuro, pero la coordinación central y la sincronización de estos relojes corporales secundarios sigue siendo llevada a cabo por los núcleos suprachiasmatic. El sistema circadiano principal en el SCN a su vez recibe múltiples retroalimentaciones de estos diversos órganos, en un sistema complejo de interacciones recíprocas. La cronobiología, la ciencia relativamente nueva de cronometrar la atención médica a varios organismos del cuerpo dependiendo de la hora más propicia del día para esos órganos en particular, ha mostrado muy buenos resultados en mejorar la eficacia de los tratamientos.

En los últimos años, genes particulares han sido identificados como implicados en el ciclo circadiano, y no es sorprendente encontrar que estos genes son particularmente activos dentro de las células de los núcleos supraquiasmáticos, así como dentro de las células de otros tejidos del cuerpo. Los científicos ahora estiman que entre el 8% y el 15% de los genes del cuerpo humano operan en un ciclo de 24 horas. La arquitectura del sueño muy similar de individuos estrechamente relacionados (especialmente gemelos idénticos) demuestra el fuerte elemento genético en el sueño, y ciertos genes – incluyendo CLOCK, BMAL, PER, TIM y CRY, entre otros – han sido específicamente identificados como implicados en el proceso del sueño, aunque el mecanismo exacto a través del cual regulan el sueño aún está siendo explorado. Las mutaciones en estos genes se han asociado con varios desórdenes diferentes del sueño.

Los ritmos ultradianos rigen el sueño y la salud mental

Científicos de Canadá han descubierto que no sólo los ritmos circadianos, de 24 horas, rigen el ciclo sueño-vigilia: Los ritmos ultradianos, de 4 horas, también influyen. Cuando los niveles de dopamina se desajustan, estos ritmos pueden alargarse hasta 48 horas, provocando manía en enfermos bipolares, por ejemplo.

La alteración del ritmo circadiano conduce a un aumento de muchas enfermedades como la enfermedad metabólica y el cáncer. Cada célula del cuerpo tiene su propio mecanismo de temporización interna controlado por las proteínas que mantienen entre sí.

Los dos proteínas Rev-erbs trabajan juntas para controlar el metabolismo de la grasa, y en su ausencia, el hígado se llena de grasa. Estos hallazgos establecen a las proteínas Rev-erb como las principales reguladores tanto de la función del reloj interno como el metabolismo.

El equipo de investigación llegó a la conclusión de que el sistema de Rev-erb es una parte integral del reloj humano, no simples accesorios .




Este trabajo demuestra que si se quiere manipular el reloj humano, probablemente se tenga que afectar tanto Rev-erb alfa como a Rev-erb beta. El ritmo circadiano del metabolismo es importante porque su interrupción conduce a un hígado graso.

Los ritmos circadianos se pueden ajustar hasta por dos horas o de cualquier manera según el cronotipo de un individuo. Algunas personas (a menudo conocidas como “alondras” o personas de la mañana) tienden a despertarse temprano y están más alerta durante la primera parte del día. Otros (“búhos nocturnos” o personas de la noche) están más alerta a última hora de la noche y prefieren acostarse tarde. Según algunas estimaciones, hasta el 20% de las personas entran en una de estas dos categorías. En estas personas, el tiempo de su período circadiano se ha cambiado completamente (un efecto que al menos está parcialmente codificado en sus genes), de manera que la gente de la mañana se despierta en una etapa posterior de su día circadiano, y por lo tanto están mucho más alerta al despertarse; la gente de la tarde, por otra parte, se despierta demasiado temprano en su día circadiano, y por lo tanto están menos alerta y su desempeño es pobre en la mañana. Típicamente, esta variación se limita a un par de horas antes o después de la media; aquellos con relojes corporales extremos pueden tener dificultad para participar en el trabajo normal, el colegio o las actividades sociales, y se considera que sufren de trastorno del sueño del ritmo circadiano

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