Διάλεξη 3 - Ντέντος Flashcards
(36 cards)
Ποια τα 2 είδη ομοιόστασης σε σχέση με το περιβάλλον;
1) Οµοιόσταση αντίδρασης: Απάντηση σε αλλαγή στην οµοιόσταση
2) Οµοιόσταση πρόγνωσης: Σύνολο συµπεριφοράς που σκοπό έχει την
προετοιµασία του οργανισµού για την αλλαγή στο περιβάλλον
Στα Μετάζωα έχουν αναπτυχθεί «εσωτερικά ρολόγια» που είναι ένα σύνολο
µοριακών και φυσιολογικών ρυθµών που επιτρέπουν την πρόγνωση των
αλλαγών στο περιβάλλον
Πότε ένας βιολογικός ρυθμός είναι ενδογενής;
1) Μπορεί να διατηρείται εν τη απουσία επιρροής από το περιβάλλον
2) Μπορεί να συντονίζεται µε τις περιβαλλοντικές µεταβολές
Δώστε παραδείγματα υπο-ημερήσιων ρυθμών (ultradian)
1) Η έκκριση ορµονών από τον άξονα υποθάλαµος-υπόφυση
2) Οι διατροφικές συνήθειες µερικών τρωκτικών
3) Οι καρδιακοί παλµοί
Σε διάγραμμα είναι πολύ συχνά κυμματάκια
Δώστε παραδείγματα υπερ-ημερήσιων ρυθμών (infradian)
1) Οι κύκλοι του οίστρου
2) Οι ετήσιοι αναπαραγωγικοί κύκλοι
3) Οι κύκλοι εµφάνισης των ακµαίων ατόµων σε µερικά είδη τζιτζικιών
Πιο αραιά κυμματάκια σε διάγραμμα
Δώστε παραδείγματα νυχθημερών ρυθμών
1) Η ηµερήσια αδράνεια σε νυκτόβια τρωκτικά.
2) Η αντίστροφη περιοδικότητα στην έκφραση πρωτεϊνών που συµβάλλουν
στη σύνθεση και αποδόµηση του γλυκογόνου.
3) Η περιοδικότητα στο χρόνο βόσκησης σε σχέση µε την περιοδικότητα
στην έκφραση πρωτεϊνών που συµβάλλουν στο µεταβολισµό των θρεπτικών
συστατικών στο συκώτι.
Ποια η προέλευση των βιολογικών ρυθμών;
Ο εντοπισµός βιολογικών ρυθµών και σε κυανοβακτήρια δείχνει:
1) Ότι οι ρυθµοί αυτοί είναι πολύ αρχαίοι
2) Ότι είναι αρκετά σηµαντικοί και έντονα συντηρηµένοι
Σύµφωνα µε µια θεωρία οι πρώτοι βιολογικοί ρυθµοί σχετίζονται µε την κυτταρική διαίρεση και την παρουσία χαµηλών επιπέδων οξυγόνου και λεπτού στρώµατος όζοντος στην ατµόσφαιρα: Κατά συνέπεια η κυτταρική διαίρεση και ο διπλασιασµός του DNA είχε περισσότερες πιθανότητες επιτυχίας όταν γινόταν κατά τη διάρκεια της νύχτας, περίοδο όπου τα επίπεδα υπεριώδους ακτινοβολίας ήταν χαµηλά.
Στην πορεία της εξέλιξης και δεδοµένου ότι
1) όλοι οι βιολογικοί ρυθµοί έχουν κοινούς βασικούς µηχανισµούς και
2) η βασική δοµή οργάνωσης είναι σε µοριακό επίπεδο, πιστεύεται ότι η ταχύτητα των βιολογικών αντιδράσεων δηµιούργησε τους υπο-ηµερήσιους
ρυθµούς οι οποίοι χαρακτήριζαν τα αρχέγονα κύτταρα.
Κατόπιν η παρουσία φωτοευαίσθητων οργάνων ένωσε µια σειρά από πρωτόγονους µοριακούς υπο-ηµερήσιους ρυθµούς σε ένα νυχθηµερή ρυθµό.
Τι γνωρίζετε για τους νυχθημερείς ρυθμούς;
• Ο νυχθηµερής ρυθµός εµφανίζει περιοδικότητα 22-26 ωρών
• Χαρακτηρίζεται από αλλαγές µεταξύ περιόδων κινητικότητας και ηρεµίας.
• Αν και υπάρχει ένα βασικό σύστηµα νευρικών ρυθµίσεων που συντονίζει το
νυχθηµερή ρυθµό, η νευρο-ενδοκρινική ρύθµιση εµφανίζει αποκλίσεις που
σχετίζονται µε τη βιολογική κατάσταση του οργανισµού όπως η ηλικία.
• Δεν είναι το µήκος της ηµέρας ή το µήκος της νύχτας που επηρεάζει τους
νυχθηµερείς ρυθµούς.
• Σηµαντικό στοιχείο είναι η στιγµή στην οποία έχουµε την εµφάνιση του
φωτός: Μικρά διαστήµατα φωτισµού µπορούν να µιµηθούν την περίοδο της
ηµέρας (φωτός) αν συµβούν την κατάλληλη στιγµή κατά τη διάρκεια του
νυχθηµερή ρυθµού.
Ποια τα 3 σημαντικά στοιχεία της φωτοπεριόδου και παραδείγματα νυχθημερών ρυθμών
• Τρία στοιχεία της φωτοπεριόδου είναι σηµαντικά: Η ένταση του φωτός, το µήκος κύµατος και η διάρκεια.
• Παράδειγµα νυχθηµερούς ρυθµού: έκκριση της µελατονίνης.
Πληροφορίες σχετικά µε τη φωτοπερίοδο µεταφέρονται µέσω της οφθαλµο-υποθαλαµικής
οδού στον υπερχιασµατικό πυρήνα και µετά στην επίφυση όπου µετατρέπονται
από νευρικό σε ενδοκρινικό ερέθισµα και έκκριση της µελατονίνης
Τι γνωρίζετε για τους Υπερ-ηµερήσιους ρυθµούς;
Στους ρυθµούς αυτούς µπορούµε να κατατάξουµε την αναπαραγωγή, τη µετανάστευση,
τη χειµερία νάρκη, την αλλαγή στο τρίχωµα: φυσιολογικοί µηχανισµοί που απαιτούν
προετοιµασία του οργανισµού για αλλαγή στις περιβαλλοντικές συνθήκες.
Σε πολλές περιπτώσεις οι ρυθµοί αυτοί µπορούν να ονοµαστούν ετήσιοι ρυθµοί
Η φωτοπερίοδος είναι ο κυριότερος παράγοντας που επηρεάζει τους ρυθµούς αυτούς:
Εδώ διακρίνονται 3 χαρακτηριστικά:
1) Υπάρχει πάντα µια περίοδος λανθάνουσας κατάστασης πριν εµφανιστεί η
φυσιολογική απόκριση στην αλλαγή της φωτοπεριόδου
2) Η φυσιολογική απόκριση δεν επηρεάζεται από την έκταση της φωτοπεριόδου αλλά
από την κατεύθυνση της αλλαγής της φωτοπεριόδου
3) Ο µηχανισµός που καθορίζει τον υπερ-ηµερήσιο ρυθµό πρέπει να είναι αρκετά ικανός
να διακρίνει τις περιβαλλοντικές αλλαγές από τις περιστασιακές αλλαγές
(νευροενδοκρινείς µεταβολές ή ασθένειες)
Για τα περισσότερα είδη η φυσιολογική απάντηση στις αλλαγές της φωτοπεριόδου είναι
ολοκληρωτική και εκδηλώνεται µε αλλαγές που προκαλούνται µε επιµήκυνση της
φωτοπεριόδου σε σχέση µε τη φωτοπερίοδο που προηγούνταν. Έτσι, αυξανόµενη
φωτοπερίοδος θα επιφέρει αλλαγές που σχετίζονται µε την έλευση της άνοιξης ενώ
µειούµενη φωτοπερίοδος θα επιφέρει τις αντίθετες αλλαγές
Ποιοι οι μηχανισμοί αλλαγής προτεραιοτήτων συµπεριφοράς;
Έχουν προταθεί δύο υποθέσεις για να εξηγήσουν την ύπαρξη µηχανισµών αλλαγής προτεραιοτήτων συµπεριφοράς: Η µία υπόθεση
είναι του εσωτερικού ρολογιού και η δεύτερη υπόθεση είναι η υπόθεση του περιβαλλοντικού ερεθίσµατος. Οι δύο υποθέσεις δεν είναι
αλληλοαποκλειόµενες και σίγουρα ισχύουν ταυτόχρονα και οι δύο.
Ποια η νευροβιολογία των βιολογικών ρολογιών;
Τα νεύρα που ρυθµίζουν την έκφραση των βιολογικών ρολογιών είναι αρκετά γνωστά και γενικότερα θεωρείται ότι υπάρχει µια περιοχή του
εγκεφάλου που συλλέγει τις περιβαλλοντικές πληροφορίες και συντονίζει τους τρόπους έκφρασης των βιολογικών ρολογιών
Τι είναι ο υπερχιασματικός πυρήνας;
• Ο υπερχιασµατικός πυρήνας είναι µια µικρή περιοχή του εγκεφάλου που βρίσκεται
ακριβώς επάνω από το οπτικό χίασµα.
• Έχει κωνικό σχήµα και µέγεθος κόκκου ρυζιού.
• Αποτελείται από νευρικά κύτταρα που εµφανίζουν περιοδικότητα στις νευρικές ώσεις
τους και πληθώρα νευρικών συνδέσεων µε άλλες περιοχές του υποθαλάµου και την
επίφυση
Τι είναι ο αμφιβληστροειδής χιτώνας;
Ο αµφιβληστροειδής χιτώνας φέρει φωτοευαίσθητα νευρικά κύτταρα που
ενεργοποιούνται από το φως µέσω της δράσης του διαµεµβρανικού υποδοχέα,
µελανοψίνη (53 kDa στον άνθρωπο). Η ενεργοποίησηση της µελανοψίνης προκαλεί
έκκριση νευροδιαβιβαστών όπως το γλουταµινικό οξύ και το πολυπεπτίδιο, PACAP, σε
νευρικές απολήξεις στον υπερχιασµατικό πυρήνα και τον υποθάλαµο.
Με τον τρόπο αυτό έχουµε ρύθµιση της έκκρισης µελατονίνης µέσω του υποθαλάµου.
Τα ίδια νευρικά κύτταρα εκφράζουν τις πρωτεΐνες γνωστές ως cryptochromes που είναι
φλαβοπρωτεΐνες που φέρουν τα χρωµοφόρα πτερίνη και φλαβίνη και διαµεσολαβούν
στην έκφραση των γονιδίων που εµπλέκονται στους βιολογικούς ρυθµούς.
Ποια τα χαρακτηριστικά της επίφυσης;
•Είναι πιο αναπτυγµένη σε ζώα των αρκτικών και εύκρατων περιοχών από ότι σε ζώα
των τροπικών περιοχών.
• Η επίφυση λείπει στην Οµοταξία Μυξίνοι. Στα ζώα αυτά το ρόλο του
υπερχιασµατικού πυρήνα παίζει µια περιοχή του εγκεφάλου που λέγεται προοφθαλµικός πυρήνας.
• Στην Οµοταξία Πετρόµυζοι, αντίθετα, η επίφυση υπάρχει και χειρουργική αφαίρεσή
της προκαλεί απώλεια στο νυχθηµερή ρυθµό κινητικότητας.
• Σε κάποιους Ιχθύες, Ερπετά και Αµφίβια η επίφυση φέρει δοµές που µοιάζουν µε το
φακό και τον αµφιβληστροειδή χιτώνα των οφθαλµών και πιστεύεται ότι λειτουργούν
ως ένα τρίτο φωτοευαίσθητο όργανο.
• Ειδικότερα, κάποια Ερπετά φέρουν φωτοϋποδοχείς, που ενεργοποιούνται µε
νυχθηµερή ρυθµό, στην επίφυσή τους καθώς και στο παρακωναριοειδές όργανο
(parietal eye) και στον εγκέφαλο. Οι υποδοχείς αυτοί εµφανίζουν σηµαντική εφεδρεία
στη δράση τους.
• Π.χ., το ερπετό Iguana iguana εµφανίζει ηµερήσια περιοδικότητα στη θερµοκρασία
του σώµατος, την έκκριση µελατονίνης και την κινητικότητα. Αφαίρεση της επίφυσης
και του παρακωναριοειδούς οργάνου εξαφανίζει την περιοδικότητα στη θερµοκρασία
του σώµατος και την έκκριση µελατονίνης αλλά όχι στην κινητικότητα.
Τι γνωρίζετε για το γονίδιο per;
υπάρχει µια
µεγάλη πολυπλοκότητα στην έκφραση και αποδόµηση της πρωτεΪνης
που κωδικοποιείται από το γονίδιο per. Η πρωτεΐνη period έχει βρεθεί
ότι ρυθµίζει τη λειτουργία των βιολογικών ρολογιών καθώς, για
παράδειγµα, εκφράζεται σε χαµηλά επίπεδα στις νεαρές µέλισσες και σε
υψηλά επίπεδα στις τροφοσυλλέκτριες µέλισσες.
Που οφείλεται η περιοδικότητα δράσης των κυττάρων του υπερχιασματικού πυρήνα;
Mια σειρά συνδεόµενων µηχανισµών θετικής και αρνητικής ανάδρασης, στο επίπεδο της µεταγραφής και της µετάφρασης
Θετική ανάδραση παρέχεται από δύο µεταγραφικούς παράγοντες: τους Clock (circadian locomotor output cycle kaput) (95 kDa στον άνθρωπο) και Bmal1 (brain and muscle ARNT
• Οι δύο αυτές πρωτεΐνες βρίσκονται στον πυρήνα σαν ετεροδιµερές µόριο και τα
µέγιστα επίπεδα έκφρασής τους έχουν βρεθεί στην αρχή της φωτοπεριόδου
• προσδένονται σε µια περιοχή του DNA γνωστή ως Ε-box (CACGTG)
• ενεργοποιούν κατά τη διάρκεια της φωτοπεριόδου τη µεταγραφή των γονιδίων per1,
per2, cry1 και cry2 τα προϊόντα των οποίων αυξάνονται στη διάρκεια της ηµέρας
• Οι πρωτεΐνες, που εκφράζονται από τα γονίδια αυτά, µε τη σειρά τους προσδένονται
µε την κινάση της καζεΐνης
• και µετακινούνται στο πυρήνα όπου προκαλούν απενεργοποίηση της µεταγραφικής
ενεργότητας των γονιδίων τους (αρνητική ανάδραση)
•Έτσι τα επίπεδα του προϊόντος του γονιδίου Bmal1 βρίσκονται σε αντίθετη φάση µε τα
επίπεδα του προϊόντος του γονιδίου per2
Ποιο το δεύτερο ρυθμιστικό μονοπάτι ανάδρασης;
Επίσης έχει βρεθεί και ένα δεύτερο ρυθµιστικό µονοπάτι ανάδρασης:
Ο «ορφανός» πυρηνικός υποδοχέας-καταστολέας έκφρασης Rev-erbα επηρεάζει µε µονοπάτια θετικής και αρνητικής ανάδρασης την έκφραση
των πρωτεϊνών Clock και Bmal1.
Ο Rev-erbα ανταγωνίζεται µε τον «ορφανό» υποδοχέα ROR (retinoic
acid-related orphan receptor) για πρόσδεση σε ROR-ανταποκρινόµενα
στοιχεία (RREs) στον υποκινητή του γονιδίου Bmal1.
Οι πρωτεΐνες Clock και Bmal1 ενεργοποιούν άµεσα την έκφραση του
Rev-erbα αλλά έκφραση του τελευταίου οδηγεί σε καταστολή της
έκφρασης του Bmal1 και έτσι έχουµε ταλάντωση των επιπέδων των
πρωτεϊνών αυτών
Τι γνωρίζετε για την προκινετισίνη; (PK2)
Ορμόνη που εκκρίνεται από τα κύτταρα του υπερχιασµατικού πυρήνα και µπορεί να αλλάξει τη
συµπεριφορά στους νυκτόβιους αρουραίους όπως και η μελατονίνη. Να σηµειωθεί ότι είδη όπως οι τυφλοπόντικες δεν εµφανίζουν περιοδικότητα στη συµπεριφορά τους.
Πώς συντίθεται η μελατονίνη;
Η µελατονίνη συντίθεται στην επίφυση από τη
σεροτονίνη µέσω της δράσης 2 ενζύµων: της Νακετυλτρανσφεράσης της σεροτονίνης (ΑΑΝΑΤ)
και της υδροξυ-ινδολο-Ο-µεθυλτρανσφεράσης
(ΗΙΟΜΤ). Τα δύο αυτά ένζυµα εµφανίζουν
διακύµανση της έκφρασης τους στην επίφυση
µέσα στο 24ωρο
Εξελικτική ιστορία της μελατονίνης;
Εξελικτικά και καθώς η µελατονίνη εµφανίζει αντιοξειδωτική δράση, θεωρείται ότι σχετικά πρόσφατα άρχισε να χρησιµοποιείται από τα ζώα στους βιολογικούς τους ρυθµούς.
• H παρουσία ή απουσία του ενζύµου ΑΑΝΑΤ σε άλλους οργανισµούς δείχνει ότι η περιοδική σύνθεση της µελατονίνης είναι χαρακτηριστικό των Mεταζώων µετά το διαχωρισµό του βασιλείου των ζώων και των µυκήτων.
• Σχεδόν σε όλα τα Θηλαστικά έχουµε αύξηση έκκρισης µελατονίνης στη διάρκεια της νύχτας.
Ποιοι οι 3 τύποι έκκρισης μελατονίνης;
Ι) Αµέσως µετά τη σκοτοπερίοδο (Κρηκιτός)
ΙΙ) Στα µέσα της σκοτοπεριόδου (Άνθρωπος, Αρουραίος)
ΙΙΙ) Σε όλη τη σκοτοπερίοδο (Πρόβατο)
•Αύξηση της σκοτοπεριόδου φέρει αύξηση της διάρκειας του υψηλότερου σταδίου έκκρισης της µελατονίνης και δίνεται έτσι στο ζώο µια ενδοκρινική
αναπαράσταση της εποχής.
•Έχουν βρεθεί 3 τύποι υποδοχέων της µελατονίνης. Οι υποδοχείς της µελατονίνης δεν έχουν βρεθεί στα Κεφαλοχορδωτά και του Μυξίνους που δεν
έχουν επίφυση.
Ποια η συσχέτιση μελατονίνης και αναπαραγωγικών κύκλων;
• Η Μελατονίνη έχει βρεθεί να παίζει σηµαντικό ρόλο στους αναπαραγωγικούς κύκλους: Χορήγηση µελατονίνης στον υποθάλαµο και την υπόφυση των προβάτων έδειξε ότι η µελατονίνη αυξάνει τα επίπεδα της Θυλακιοτρόπου ορµόνης (FSH) και
µειώνει τα επίπεδα της Προλακτίνης και την εµφάνιση χειµερινού τριχώµατος.
Η Μελατονίνη επιδρά άµµεσα στο νυχθηµερή ρυθµό έκκρισης του εκλυτικού παράγοντα
των γοναδοτροπινών (GnRH)
• Η Μελατονίνη επηρεάζει επίσης άµµεσα:
Τα επίπεδα Προλακτίνης µειώνοντάς τα
Τα επίπεδα Γλυκοκορτικοειδών δρώντας άµµεσα στα επινεφρίδια και µειώντας την έκκριση των ορµονών αυτών.
Τα επίπεδα Θυροξίνης µειώνοντάς τα µέσω δράσης στην υπόφυση.
Ποιο το σύστημα μέτρησης (για εποχιακούς και ετήσιους κύκλους συμπεριφοράς);
Στα Σπονδυλόζωα το σύστηµα αυτό αποτελείται από 3 στοιχεία:
1) Το µηχανισµό συλλογής πληροφορίας από το περιβάλλον
2) Το µηχανισµό του «εσωτερικού ρολογιού»
3) Το µηχανισµό µεταφοράς της πληροφορίας στους ιστούς
Πως μεταφέρεται η πληροφορία στους ιστούς;
Η πληροφορία από το περιβάλλον (φως) → οφθαλµοί → υπερχιασµατικός πυρήνα
•Ο υπερχιασµατικός πυρήνας δεν είναι µόνο κέντρο συλλογής πληροφορίας, αλλά και
αυτο-συντηρούµενος µηχανισµός εσωτερικού ρολογιού ακόµα και εν τη απουσία
ρυθµικής πληροφόρησης από το περιβάλλον.
-Νευροδιαβιβαστές (γλουταµινικό οξύ, GABA, σεροτονίνη, νευροπεπτίδιο Υ)
ρυθµίζουν τις λεπτοµέρειες της µεταφοράς της πληροφορίας από το περιβάλλον
•Ο υπερχιασµατικός πυρήνας µεταφέρει τις πληροφορίες στο υπόλοιπο σώµα µέσω
ενδοκρινικών και νευρικών µονοπατιών.
•Μέσω των ενδοκρινικών µονοπατιών τουλάχιστον 3 πρωτεΐνες εκκρίνονται από τον
υπερχιασµατικό πυρήνα και ρυθµίζουν τη θερµοκρασία του σώµατος και την
κινητικότητα: Η βασοπρεσίνη, ο µεταµορφωτικός αυξητικός παράγοντας α (TGF-α) και
την προκινετισίνη 2
•Μέσω νευρικών συνδέσεων ο υπερχιασµατικός πυρήνας µεταφέρει πληροφορίες στην
επίφυση, την καρδιά, τα επινεφρίδια, το πάγκρεας αλλά και άλλες περιοχές του
εγκεφάλου σχετικά µε τη φωτοπερίοδο