Anche se i primi studi sull’orologio biologico risalgono al ‘700, Jeffrey Hall, Michael Rosbash e Michael Young sono i tre scienziati insigniti del Nobel per la Medicina 2017 per averci rivelato i meccanismi molecolari dei ritmi circadiani

Dal prof. Antonio Musarò, ordinario di Istologia, Embriologia e Biotecnologie Cellular, presso l’Università degli Studi di Roma “La Sapienza”, riceviamo e pubblichiamo:

William Shakespeare  scriveva :“Ogni mattina in Africa, come sorge il sole, una gazzella si sveglia e sa che dovrà correre più del leone o verrà uccisa. Ogni mattina in Africa, come sorge il sole, un leone si sveglia e sa che dovrà correre più della gazzella o morirà di fame. Ogni mattina in Africa, come sorge il sole, non importa che tu sia leone o gazzella, l’importante è che cominci a correre…”.

Ma dove prende tutta questa energia il leone, la gazzella o l’uomo per correre al mattino? E perché proprio al mattino? E la sera perché il leone, la gazzella e l’uomo riposano?

E quante volte ci sarà capitato di avere quel fastidioso “jet lag” associato a disturbi del sonno, difficoltà di concentrazione, cattiva digestione dopo un lungo viaggio.

Una serie di interrogativi che sono antichi quanto la storia della terra e che finalmente oggi hanno una risposta ben precisa: tutto dipende dall’orologio biologico presente in ogni cellula e in ogni specie vivente. Proprio così, un orologio biologico presente in tutte le specie viventi, dagli organismi più semplici come i procarioti, a quelli più complessi come l’uomo, passando per le piante. Tutti gli esseri viventi, dalle piante agli esseri umani, riescono quindi a regolare e scandire in modo ritmico le loro attività accendendo, spegnendo o modulando una serie di interruttori molecolari.

Quindi se la complessità biologica non è il segno distintivo di un sistema circadiano (dal latino circa diem), tali orologi potrebbero essere sorti all’inizio dell’evoluzione per mantenersi poi funzionanti fino ai nostri giorni in tutte le specie viventi.

Come avviene tutto questo?

Lo hanno scoperto Jeffrey Hall, Michael Rosbash e Michael Young, i tre scienziati insigniti del Nobel per la Medicina 2017 grazie agli studi che hanno portato ad identificare i meccanismi molecolari dei ritmi circadiani, più comunemente conosciuti come orologio biologico, di ogni essere vivente.

La vita sulla Terra – si legge nell’annuncio della commissione per il Nobel – si è adattata alla rotazione del pianeta. Da molti anni sappiamo che gli esseri viventi, inclusi gli uomini, hanno sviluppato un orologio interno che li aiuta ad armonizzarsi con il ritmo regolare del giorno e della notte. Ma come funziona esattamente il meccanismo? Hall, Rosbash e Young sono riusciti a guardare all’interno di questo orologio e scoprire il suo funzionamento. Le loro scoperte spiegano come le piante, gli animali e gli uomini riescano a modellare il loro ritmo vitale per sincronizzarlo con la rotazione della Terra“.

In realtà, l’esistenza di un orologio biologico era nota sin dal lontano Settecento, grazie agli studi di Jean Jacques d’Ortous de Mairan, astronomo francese, che nel 1729 descrisse i ritmi circadiani nella pianta della mimosa (Mimosa pudica). Lo scienziato osservò che le foglie di mimosa si aprivano di giorno e si richiudevano la notte, e questo fenomeno accadeva anche quando le piante erano tenute sempre al buio. Questa osservazione suggeriva che il comportamento delle foglie di mimosa non era regolato dalla luce diretta, ma da qualche meccanismo interno alla pianta.

Gli studi di Hall, Rosbash e Young hanno rappresentato una svolta importante nella comprensione dei circuiti molecolari che regolano le lancette dell’orologio biologico.

Come funzionano gli ingranaggi dell’orologio? In che modo l’orologio biologico regola attività come il sonno, la fame, il rilascio di ormoni, la pressione del sangue e la temperatura corporea? I primi a dare una spiegazione alle lancette dell’orologio biologico sono stati Hall e Rosbas, i quali, studiando i ritmi circadiani in un organismo semplice quale il moscerino della frutta (Drosophila melanogaster), riuscirono a isolare un gene, chiamato Period (Per), il quale controlla la produzione di una proteina che si accumula nelle cellule durate la notte per venire poi degradata durante il giorno. Young ha poi aggiunto un ulteriore tassello alla comprensione dell’attività di Per, identificando un secondo gene chiamato Timeless (Tim), il cui prodotto proteico si lega a Per e lo dirige verso il nucleo della cellula dove modula l’espressione di diversi geni target.

Dove si trova la cabina di regia dell’orologio biologico?

Gli studi pionieristici di Karl von Frish, biologo austriaco insignito del premio Nobel per la medicina nel 1973 per aver decifrato il linguaggio delle api, gettarono le basi per la comprensione dei circuiti circadiani. Frish scoprì che un pesciolino di acqua dolce, la sanguinerola, cambiava colore quando investito dalla luce. Il dato interessante fu scoprire che il pesciolino continuava a reagire alla luce cambiando colore anche quando veniva privato degli occhi.

Qualche decennio più tardi, nel 2005, lo scienziato Russell Van Gelder conferma nel topo quanto osservato nel pesciolino e cioè che i sensori di luce della retina, quelli cioè che formano le immagini, non sono direttamente coinvolte nell’attivazione dell’orologio biologico e quindi nella regolazione dei ritmi circadiani. Esiste infatti un sistema indipendente dalla visione, costituito da sensori chiamati criptocromi, i quali rappresentano una sorta di terzo occhio, che anche se non genera immagini è in grado di inviare segnali precisi alla sede dove è localizzato l’orologio biologico principale. Anche i non vedenti, quindi, pur non avendo un sistema visivo capace di formare immagini, hanno un orologio biologico ben funzionante.

In particolare, è stato dimostrato che l’orologio centrale che regola l’attività degli orologi periferici distribuiti nelle varie cellule e tessuti di un organismo complesso, come l’uomo, si trova in una piccola regione del cervello, l’ipotalamo, ed in particolare nel nucleo soprachiasmatico, una regione dell’ipotalamo costituita da circa ventimila cellule nervose la cui attività è regolata da 5 geni principali dell’orologio biologico: period, timeless, cycle, clock e criptochrome.

Dal nucleo partono i segnali verso altri distretti, per esempio verso la ghiandola pineale detta anche epifisi, localizzata nel cervello e deputata alla produzione di melatonina, l’ormone del “buio” tra le cui funzioni c’è anche quella di indurre il sonno. La produzione di melatonina è ciclica: inizia al calar della sera, raggiunge il picco massimo durante la notte e si riduce notevolmente alle prime luci dell’alba.

Se la melatonina è l’ormone del buio che favorisce il sonno, altri ormoni come l’adrenalina e la noradrenalina vengono prodotte al mattino, quando è richiesta una maggiore reattività. Adrenalina e noradrenalina provocano un aumento della pressione arteriosa e della frequenza cardiaca.

Ecco spiegato perché al mattino, come sorge il sole, il leone, la gazzella, l’uomo cominciano a correre: tutto merito dell’orologio biologico.

Avere quindi un orologio biologico ben calibrato garantisce il corretto funzionamento di organi e tessuti, mantenendo in salute l’intero organismo.

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Redazione
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