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Ritmos Biológicos
Profa. Dra. Eliane ComoliFMRP-USP
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Ciclos da vida
Curiosidade dos fenômenos rítmicos e sua descrição ou a dificuldade de explorá-los
sempre esteve presente na vida do Homem.
Comparação dos ciclos observados com mudanças sazonais, estações do ano, dias
críticos para aparecimento de doenças, variações da lua, etc
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A partir do século XIX foram realizadas muitas experiências, quer com animais, quer com plantas A partir do século XIX foram realizadas muitas experiências, quer com animais, quer com plantas
A partir do século XIX foram realizadas muitas experiências, quer com animais, quer com plantas.
Em 1814 houve uma tese sobre as flutuações diárias da temperatura na saúde e na doença, defendendo que os
ritmos biológicos são endógenos e controlados por relógios biológicos sincronizados através do ciclo claro/escuro.
Incluiu conceitos sobre os ritmos biológicos e defendia a importância do tempo nas intervenções terapêuticas.
Em 1937, houve a primeira reunião científica sobre ritmos biológicos e a fundação da Sociedade para a Investigação dos
Ritmos Biológicos, mais tarde (em 1971) designada Sociedade Internacional de Cronobiologia.
Cronobiologia
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Cronobiologia
A cronobiologia refere-se ao estudo das características temporais da matéria viva, em todos os níveis de organização.
Inclui o estudo dos ritmos biológicos, como as oscilações periódicas em variáveis biológicas, em processos biológicos.
Relógio Solar construído por volta de 1060, retirado da região de York, na Inglaterra
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Ritmos Biológicos
Ritmos biológicos são atividades biológicas e funções quese repetem periodicamente (em ciclo), em geral sincronizadas com os ciclos da natureza.
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Circanuais, circadianos, circamarés, circalunares, etc...
Ritmos Biológicos (1959):1. Circadianos (duração de um dia);
ex: ciclo sono-vigília.
2. Ultradianos (repetem várias vezes no dia); ex: secreções hormonais.
3. Infradianos (demoram mais que o tempo de umdia para se repetirem); ex: hibernação
Relógio Solar construído por volta de 1060, retirado da região de York, na Inglaterra
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Ç
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Ritmos CircadianosVariação em Índice Fisiológico
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Ritmos CircadianosVariação em Índice Fisiológico
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Ç
Ritmos CircadianosVariação do cortisol plasmático
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Ritmos UltradianosVariação em Índice Fisiológico
c
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Ritmos UltradianosVariação em Índice Fisiológico
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Ritmos UltradianosVariação em Atividade Cerebral
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Ritmos InfradianosCiclo Menstrual
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Ritmos InfradianosEstações do Ano
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Caráter Endógeno da Ritmicidade
Das observações feitas com plantas em isolamento no escuro surgiu a idéia de
um caráter endógeno da ritmicidade biológica;
deveria ser explicado pela existência de um relógio endógeno biológico.
Apartir de 1970 com avanços da genética (análise de freqüência de mutação
gênica e variação genética demonstrou-se a base genética da ritmicidade em
unicelulares menos organizados como algas.
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Hoje sabe-se de sistemas orgânicos especializados em gerar ciclos funcionais que caracterizam os ritmos biológicos.
Ex: relógios biológicos; genes biológicos e proteínas capazes de gerar oscilações circadianas no comportamento.Por exemplo os genes de expressão circadiana que encontram-se nos fotorreceptores.
Ritmos Biológicos
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Sincronização entre o relógio biológico e os órgãos periféricos
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Relógio Biológico Circadiano
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Relógio Biológico:
Grupo de células que apresentam oscilação funcional automática (variação cíclica do potencial de membrana).
Os relógios biológicos transmitem a sua ritmicidadea outras células às quais está acoplado produzindo
efeito da ritmicidade (efeitos cíclicos) sobre o organismo todo.
O relógio biológico está acoplado às células que detectam as variações ambientais.
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Núcleo Supraquiasmático (SCH)relógio hipotalâmico circadiano ou oscilador circadiano
O relógio hipotalâmico e os ritmos do dia-a-dia: núcleo supraquiasmático é quem gera o ritmo acoplado ao ciclo noite-dia.
A luz é o estímulo temporizador principal dos rítmos circadianos, e influencia o marca-passo (SCH) através das fibras retino-hipotalâmicas.
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Experimentos de registros do SCH, in vitroatividade cíclica
Neurônios do SCH são osciladores naturais, cujo
potencial de repouso varia ciclicamente.
A cada ciclo o potencial de repouso oscila e atinge o limiar,
surgindo potenciais de ação, que se conduzem através dos axônios.
Então o potencial de repouso é restaurado e seu valor volta a
despolarizar lentamente.
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Influência das condições ambientais (luz contínua)
sobre a atividade do Núcleos Supraquiasmático.
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Experimentos de lesões no SCHanimal perde a ritmicidade e os momentos de atividade tornam-se completamente aleatórios. O SCH confere periodicidade às funções normais.
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Hamster silvestres perdiam a ritmicidade (24h) ao terem o SCH lesionados.
Transplantava-se o SCH fetal de hamsters mutantes “tau” (oscilação endógena de 20h).
Animal reestabelecia a ritmicidade, agora com ritmo oscilador de 20h (doador).
Experimentos de transplante de SCH
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O SCH veicula comandos para que algumas funções autonômicas, neuroendócrinas, comportamentais e ciclo sono-vigília possam ser reguladas de acordo com o período de 24h.
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Através do relógio biológico se produz a sincronização do ser vivo ao Ciclos da Natureza.
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Em função da organização do sistema solar, a Terra é submetida a interações envolvendo forças de atração entre os diferentes planetas e corpos celestes.
Ciclo Claro-Escuro
Ciclos da Natureza – Ritmos Geofísicos
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A configuração do sistema solar (inclinação da terra) relaciona-se com a origem de padrões cíclicos e rítmicos do ambiente natural.
Ex: flutuações na temperatura e precipitações em função da rotação anual da Terra ao redor do Sol (estações do ano).
As interações da Terra com o Sol e a Lua, aliadas à sua inclinação natural, resultam em ciclos associados com o dia e a noite, com as fases da Lua e com a oscilação das marés.
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Relógio Biológico:
sincronização do ser vivo ao ciclos da Natureza.
Para os ritmos circadianos há um intervalo limite de 20-28 horas, propiciado pelo relógio biológico. Esse intervalo
pode ser sincronizado pelos ciclos ambientais.
Essas oscilações externas, sincronizadoras dos ciclos endógenos foram chamadas de Zeitgebers,
sincronizadores, arrastadores.
Zeitgebers modulam o ritmo endógeno.
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Mecanismos de temporização nos Vertebrados
Sincronização dos ritmos biológicos e os ciclos ambientais se dá via relógio biológico
Os relógios biológicos são ajustáveis ao ambiente pela ação de células sensoriais e vias aferentes (neurônios), tornando-se
sincronizados com os ciclos naturais.
A sincronia entre os organismos e a natureza apresenta grande valor adaptativo para todos. São universais;
todos os seres vivos apresentam. permite previsões e consequentemente modificações comportamentais.
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Sistemas Temporizadores: aferentes, marca-passos e eferentes
Induzem certas funções e comportamentos a operar em ritmos bem sincronizados com os ciclos naturais.A luz efetivamente sincroniza o marca-passo. A luz é o estímulo sincronizador ou temporizador principal dos ritmos circadianos.
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Sincronização entre a Natureza e o relógio biológico
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Sincronização de ritmos circadianos com ciclo claro/escuro
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Permite aos seres vivos prever a aproximação da noite e do inverno, momentos em que é necessário modificar
o comportamento e o funcionamento do organismo.
A organização temporal do organismo requer que os sinais internos de referência temporal sejam acessíveis
ao resto do organismo; via mecanismos neurais como humorais. Porém nos mamíferos a natureza dos
processos de transmissão ainda não é bem conhecida.
A comunicação estabelecida com sistema nervoso e endócrino é possivelmente a
condição fundamental para que o organismo funcione como um todo harmônico.
Importância dos Sistemas Temporizadores
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Alterações ciclo-temporais nos seres vivos é muito precoce
na evolução da vida
Um conceito genérico que aflora da cronobiologia é que o
comportamento temporal dos seres vivos encontra-se ajustado
às condições ambientais, permitindo-lhes relacionar-se com o
meio externo da forma mais adequada e nos horários corretos.
Os Seres vivos que conseguem prever mudanças do tempo do
dia se adaptam-se às variações.
Aquele mais adaptado tem mais chance de sobrevivência.
Hipótese da aquisição das variaçõescíclicas no ser vivo.
Hipótese: Variações foram inscritas na matéria orgânica daqual os serem vivos se originaram.Hipótese da Hereditariedade: adaptabilidade
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A obtenção de curvas de reposta de fase em várias espécies mostravam inequivocamente que fatores ambientais como iluminação e temperatura, tinham efeitos sobre a expressão dos ritmos endógenos, promovendo ajustes através de mecanismos biológicos específicos e dentro de limites bem definidos para cada espécie.
.
Zeitgebers - sincronizadores ou temporizadores
tem efeitos importantes sobre a expressão dos ritmos endógenos, promovendo ajustes através de mecanismos biológicos específicos para cada espécie.
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A luz influencia o SCH através das fibras retino-hipotalâmicas.
Fotorreceptores peculiares nas células ganglionares da retina contém um fotopigmento chamado melanopsina
(gene de expressão circadiana)
núcleo supraquiasmáticofibras retículo-hipotalâmicas
núcleo geniculado lateral
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Efeito da luz no SCH
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Melanopsina tem o pico de sensibilidade espectral na faixa ∼480 nm (azul) da luz visível. Distinta dos cones e bastonetes.
Fotopigmento Melanopsinaé um fotopigmento encontrado em células ganglionares fotossensíveis da retina, as que estão envolvidas na regulação do ritmo circadiano.
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Ativação da Melanopsina
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Ação da Célula Ganglionar - Melanopsina
PACAP peptídeo ativador de
adenilato ciclase hipofisária
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Núcleo Supraquiasmático
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Mecanismo molecular circadiano em mamíferos
Se dá pela transcrição dos genes circadianos, Genes Period (Per1 e Per2)
e Cryptochrome (Cry1-2) que são ativados pelo complexo regulatório E-box.
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Como resultado os níveis de mRNA e proteínas
relacionados aos genes circadianos oscilam com período ~ 24 h.
O CLOCK–BMAL1 regula (via E-box) a transcrição de muitas proteínas CCGs
que influenciam funções fisiológicas externas ao mecanismo oscilatório.
Mecanismo molecular circadiano em mamíferos
Alça de feed-back.
Alça de
feed-back.
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Mecanismo molecular circadiano em mamíferos
O complexo heterodímero
(proteínas CLOCK and
BMAL1) ativa a sequência
regulatória E-box que
controla a transcrição de
genes circadianos.
Proteínas circadianas
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Mecanismos de retroalimentação no Relógio Circadiano
Retroalimentação positiva e negativa dos genes CLOCK e BMAL1 para a
expressão dos genes per (period), cry (cryptochrome) e o receptor REV-ERB.
Em geral, o ciclo circadiano tem início nas primeiras horas da manhã com a
ativação da transcrição de per e cry por CLOCK/BMAL1. A periodicidade
do relógio circadiano resulta da combinação entre retroalimentação
transcricional positiva e negativa destes genes.
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Estudos em roedores mostram que perturbações na sinalização da
melanopsina podem influenciar muitas doenças em humanos
incluindo desordens do sono, depressão, enxaqueca por aversão à luz
e luz exacerbada.
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Sincronização entre a Natureza e o relógio biológico