La vita sulla Terra è un contesto caratterizzato da variazioni ambientali cicliche, primo fra tutti l’alternanza tra il giorno e la notte, dovuta alla rotazione del pianeta attorno al proprio asse. Altri esempi sono i moti di rivoluzione della Luna attorno alla Terra e quello di rotazione di quest’ultima attorno al Sole che permettono il fenomeno delle maree e dell’alternanza delle stagioni.
La vita si è evoluta da sempre in un contesto caratterizzato da ripetizioni cicliche che hanno selezionato alcuni adattamenti fisiologici alle oscillazioni di alcuni parametri ambientali in funzione periodica.
Molti di questi adattamenti sono regolati da meccanismi molecolari che avvengono nelle nostre cellule che funzionano da veri e propri orologi biologici, il cui studio ha permesso di ottenere il Nobel per la medicina nel 2017 a Jeffrey C. Hall, Micheal Rosbash e Micheal W. Young. Approfondiamo insieme questo argomento.
Cosa sono i ritmi circadiani?
I ritmi circadiani sono quei ritmi fisiologici che si alternano con un periodo di 24 ore e risentono in maniera principale dell’alternanza tra il dì e la notte.
Un orologio biologico è costituito da una molecola principale le cui oscillazioni di concentrazione variano in maniera periodica nel tempo. La molecola con attività circadiana, tuttavia, è permeabile a informazioni e segnalazioni che provengono dall’ambiente esterno: questo permette di allineare l’orologio biologico al ritmo dei cicli naturali.
L’oscillazione della molecola che funziona da orologio biologico regola altri fattori biologici, attivandoli e disattivandoli in funzione della sua concentrazione, trasmettendo le informazioni in uscita dalla sua oscillazione in modificazioni metaboliche, fisiologiche o comportamentali.
Come funziona il ritmo sonno-veglia?
Il ritmo sonno-veglia è l’esempio più rilevante di ritmo circadiano. I disturbi del ritmo sonno-veglia sono caratterizzati da un disallineamento tra il ciclo luce-buio e il ritmo biologico associato.
Tra i principali meccanismi fisiologici regolati dal ciclo sonno-veglia c’è sicuramente la melatonina, un ormone prodotto dalla ghiandola pineale, posta alla base del cervello.
La sua azione si espleta a livello dell’ipotalamo dove induce delle segnalazioni che a loro volta influiscono sulla progressione del ritmo sonno-veglia.
Uno degli esempi di meccanismo alla base della rottura del ritmo sonno veglia dovuta all’alterazione del ciclo luce-buio è quello rappresentato dalla discronia che si verifica quando si fanno viaggi molto lunghi in aereo: a causa del cambiamento di fuso orario, le segnalazioni esterne verso l’orologio circadiano molecolare si interrompono e quindi si ha la perdita del ritmo.
Gli scompensi a livello del ciclo circadiano possono provocare delle reali disfunzioni e sindromi del sonno:
- Sindrome della fase del sonno ritardata in cui i pazienti si coricano e si svegliano tardi.
- Sindrome della fase del sonno avanzata in cui i pazienti si coricano e si svegliano precocemente rispetto al normale svolgersi quotidiano delle attività.
Quali ormoni seguono l’orologio biologico?
Anche le concentrazioni plasmatiche ormonali seguono dei ritmi periodici, caratterizzate da una fase crescente, un picco e una fase decrescente.
L’andamento della concentrazione ormonale può essere studiato in funzione del tempo: l’alternanza delle fasi crescente e decrescente segue l’andamento circadiano (nell’arco di un giorno), ma anche un andamento circasettiano (nell’arco della settimana).
Ad esempio il cortisolo, l’ormone secreto nelle situazioni di stress, ha un picco nella sua secrezione che si registra intorno alle prime ore del mattino, mentre presenta un picco minimo nelle ore di riposo notturno. Le alte concentrazioni di cortisolo al mattino sono un importante spunto per decidere in quale parte della giornata allenarsi: la presenza del cortisolo in circolo appena svegli predispone il corpo ad usare gli acidi grassi come substrato piuttosto che altre molecole, quindi nell’ottica di un allenamento volto alla perdita di massa grassa è sicuramente ottimale concentrare l’allenamento alla mattina.
Stesso andamento lo seguono anche il testosterone e l’ormone tireostimolante (TSH), che stimola l’attività secernente della tiroide.
L’ormone della crescita (GH) ha invece un andamento temporale opposto: la sua secrezione si concentra maggiormente intorno alla mezzanotte.
Orologi biologici e ricerca biomedica
Uno studio dell’Università di Padova e dell’UT Southwestern di Dallas, partendo da evidenze già descritte da altri studi sui ritmi circadiani, ha voluto prendere in esame come le buone o le cattive abitudini alimentari possano influire sulla fisiologia del nostro organismo, ma soprattutto sulle sue funzionalità.
Lo scopo di questo progetto è stato raggiunto usando dei modelli altamente innovativi basati su modelli in vitro di organo artificiale che permette di creare in scala ridotta le condizioni e le caratteristiche principali degli organi viventi; inoltre permette di osservare la risposta cellulare al cambiamento di diversi parametri ambientali, quindi può garantire l’osservazione del cambiamento della risposta cellulare a vari stimoli e come essa varia in base al tempo.
Lo studio in questione ha sottolineato come sia importante l’allineamento tra segnali biologici e ritmi circadiani al fine di garantire un’oscillazione funzionale e capace di regolare al meglio i processi biologici a cui è connessa.
Se la relazione temporale tra i segnali e l’orologio biologico si interrompe, tutte le attività metaboliche e fisiologiche connesse alla sua oscillazione vacilleranno a loro volta.
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