Napi_Ritmus_M_2010-pdf - Dietvet-Holistic Bevezetés

NAPI RITMUS,
KRONOBIOLÓGIA
©Prof. Dr. Fekete Sándor György
az MTA doktora
laborállat-tudományi osztály
Fekete.Sandor@aotk.szie.hu
www. dietvet-holistic.hu

Kronobiológiai alapfogalmak
• RITMUS: jelenség/folyamat
szabályos időközönként
történő (periódikus)
ismétlődése
• CIKLUS: a periódikusan
ismétlődő folyamat két
azonos állapota közötti idő
(Pl. sin/cos-görbe)
Autonom-függő (energiaforrás)
Önszabályozó-szabad lefutású

KIALAKULÁSA, FŐ FORMÁI
Az életfolyamatok ritmikussága a
környezethez való alkalmazkodás révén
alakult ki (evolúció).
Homeoszatázis: adaptív és prediktív
Lásd: csimpánz-ősember
A kronobiológia perc-, nap- (cirkadián) és
éves ritmusformát különböztet meg.
-ritmikus vérnyomásváltozások: percritmus
-ébrenlét-alvás, táplálékfölvétel: napi
-vadon élő emlősök ivarzása: éves tartamú

KÍNAI ÁLLATÖVEK

OSZTÁLYOZÁS
• Időtartam ill. gyakoriság (frekvencia):
nagy, közepes, kis
• Exogén-endogén
• Geofizikai, foto-, termo- és mágneses
• Szikronizált-szikrozinálatlan
• Szerveződési szint szerint:
szubcelluláristól a populációig

LABORÁLLATOK
szempontjából a napi ritmus jelentősége a
legnagyobb. Ennek létrejötte az állathoz
kötött (endogén), de a környezet a
szinkronizáló, a ritmusszabályozó.
A nappal-éjszaka váltakozásai által kiváltott
ritmust – elkülönítendő az endogén
eredetű cirkadián ritmusoktól –
diurnálisnak nevezik.

A SZABÁLYOZÁS FŐ TÉNYEZŐI
-a fény a LEGFONTOSABB, de egyéb,
szabályos időközönként ismétlődő
környezeti hatások, mint például
-takarmányozási idő,
-hőmérséklet változásai,
-másik állattal való szociális kapcsolat is
jelentős

NEM MINDIG ISMERHETŐ FÖL:
Egyes környezeti tényezők –
ritmusszabályozó befolyásukon túl –
közvetlen élettani funkciókra is hathatnak, s
így a napi ritmust nem lehet fölismerni.
például a sötétben tartott melegvérű állatok
oxigénfogyasztása jól fölismerhető napi
ritmust mutat; hirtelen megvilágítás
ugyanakkor fokozza az állatok
mozgásaktivitását, függetlenül attól, hogy a
ritmusosság melyik periódusában volt.

NÉHÁNY PÉLDA A VALÓDI NAPI
RITMUSRA
• sejtmembrán permeabilitásának változása,
• sejtbeli fehérjeszintézis
• sejtfelületi hormonreceptorok száma
• élettevékenységet szabályozó neuronok
működése, következményesen a
• légzés, a szívverések frekvenciája és a
vérnyomás, a
• mozgás- (lokomotoros) aktivitás.

SZABÁLYOZÁS: BELSŐ ÓRA
• Emlősökben és madarakban e ritmusok
közös szabályozó komplexét a nucleus
suprachiasmaticus hypothalami és a
tobozmirigy tájékára lokalizálják
(Nichelmann, 1986).
• Tobozmirigy-melatonin
• Humán fölhasználás

A) KRONOBIOLÓGIAI ALAPFOGALMAK
cirkadián ritmus (CR): 24+4 h hypothalamus
suprachiasmaticus magjai (SCN)
egyidejűsítés („entrainment”): a CR
szinkronizálása 24+4 órán belül
zeitgeber („időszabályozó”): cirkadián
oszcillátort szinkronizáló külső, periódikus
változó
szabadon futó ritmus (”free-running”): külső
zeitgeber nélkül zajló cirkadián ritmus (pl.
mozgás)

DALI: AZ ELFOLYÓ IDŐ

CR-t MÓDOSÍTJÁK
Újszülöttekben a szabályozó rendszer
funkcionálisan éretlen, így aritmiák, vagy 4-
8 órás, ún. ultradian ritmusok lépnek föl.
Gyógyszerek, mérgek eltolhatják, vagy
fölboríthatják a napi ritmust.
Stressz a cirkadián ritmusok fölborulnak,
ultradián ritmusok lépnek fölaz állatok
tartási körülményei nem optimálisak.

Cirkadián oszcillátor (rendszer)
• A CR-t generáló neuronok (SCN): szabályozó
óra („masterclock”)külső zeitgeber
nagyban módosíthatja
• világos:sötét ciklusok aránya retinohypothalamicus
köteg (RHT) SCN (a fő
zeitgeber magcsoport) fényfüggő („lightentrainable”)
oszcillátor (LEO)
• etetés függő („feeding entrainable”)
oszcillátor (FEO)

FEO bizonyítékai I.
‣időzített etetés szinkronizáló hatású:
mézelő méhek (Beling, 1929)
‣az etetés függő oszcillátor (FEO) léte
számos egértörzsben, hörcsögben,
patkányban, nyúlban, galambban,
verébben és néhány erszényesben
bizonyított

FEO bizonyítékai II.
az etetéstől függő cirkadián oszcillátor
(FEO) a fénytől függő oszcillátortól
(LEO) független: az utóbbi
magcsoportjainak elroncsolása után is
a periódikus etetéssel szikronizálni
lehetett a hörcsögöket

CR-MODELLEK I.
‣ a leggyakoribb vizsgált szabadon
futó paraméter a mozgásaktivitás
ritmusa
‣ Japánfürj: a világos/sötét arány 1
órás változása módosítja az
agytörzs dejodináz aktivitását: a
T3-koncentráció és
következményesen a CR változik
Az állat számára optimális
hőmérséklet is cirkadián ritmus
szerint változik.

CR-MODELLEK II.
• A nyúl és rágcsálók esetében az evési
aktivitás ritmusgörbéje hajnalban, a
megvilágítás kezdetekor a minimumon áll
• maximumát az esti, éjszakai sötétben éri
el.
• Így a sötétben alacsonyabb környezeti
hőmérsékletre van szükség.

CR-MODELLEK III. SAJÁTOSSÁGOK:
NYÚL (illusztráció !)
• gyomor a takarmányfölvétel
szünetében is tele van (caecotroph).
• metszőfogak növekedése éjjel négyszer
olyan gyors, mint nappal;
• napközben többet rág a nyúl, így
reggel hosszabbak a metszőfogak,
mint este.
• szájnyálkahártya sejtjeinek mitotikus
indexe 13. 00 órakor a legnagyobb.

CR jelentősége a kísérleti munkában
• A napi ritmusokat figyelembe kell venni az
egyes biológiai paraméterek értékelésekor,
• gyógyszerek (különösen hormonkészítmények)
adagolásakor (pl. a
glükokortikoidokat kora reggel kell
adagolni, amikor azok vérszintje is magas,
és a hypophysis receptorjainak
érzékenysége kicsi.
• Ezzel csökkenthető az ACTH-kibocsátás
gátlásának veszélye.

A FEO MŰKÖDÉSE
• ad libitum etetés hosszú távon +
+ korlátozott mozgás → elhízás →
→ egyszerre csak meghatározott
mennyiségű takarmányt adjunk!
• probléma: éjjel aktív rágcsálók (patkány,
egér, hörcsög) bioritmusa a nappali etetés
miatt eltolódik
• a két napszakban fogyasztott táplálék
mennyisége a normális többszöröse is
lehet
• az éjszakai-nappali viselkedésnormák és
egyes élettani funkciók eltolódnak

PÉLDÁK
ILLUSZTRÁCIÓK A
LABORÁLLATOK NAPI
RITMUSÁRA

EMÉSZTÉSI FOLYAMATOK
• A nyúl esetében a kemény és a lágy
bélsár termelődése és annak fölvétele
cirkadián ritmust mutat (Jilge, 1980).
• Napi ritmust mutat a rágcsálók
takarmányfölvétele és bélságürítése is.

A takarmányfölvétel és a
mozgásaktivitás I.
zöme az éjszakai (sötét) órákra esik. Állandó
fényben a periódus hossza megnyúlik
(24,5 órára); állandó sötétben lerövidül.
A házinyúl és rágcsálók esetében a cirkadián
ritmust gyakran elnyomja a mesterséges
környezet provokálta ultradián ritmus, ezen
túlmenően a jelentős egyedi különbségek is
zavarhatják azok fölismerését.

A takarmányfölvétel és a
mozgásaktivitás II.
• A szopós nyúl naponta egyszer, a rágcsálók
többször szopnak, amely az anyától függ.
• A szilárd takarmányra fokozatosan rászokó kis
Glires kezdetben többször, naponta 40-50-szer
eszik.
• A felnőtt Gliresre a 20-40-es szám a jellemző.
Ezek eloszlása azonban a nap 24 órájában nem
egyenletes, így napi ritmus jön létre.

A takarmányfölvétel és a mozgásaktivitás II.
12/12 órás megvilágítási rendszerben
Fölvétel délutánra (a a sötétfázis
kezdetének felel meg) éri el a
maximumát: SZÜRKÜLETI ÁLLATOK
Hajnalban, közvetlenül a sötétfázis végén
még egy, kisebb maximum figyelhető meg
(másodlagos csúcs).
Délelőtt általában nincs takarmányfölvétel,
az állatok a lágy bélsarat veszik föl.

DZSERBIL:
SZÜRKÜLETTI
HÖRCSÖG:
ÉJSZAKAI

NYÚL AD
LIBITUM
12/12
VILÁGOS/
/SÖTÉT
0 12 0 12

Takarmányfölvétel ideje
SZABÁLYOZÓLAG HAT A
1. vízfölvételre
2. mozgásaktivitásra
3. vizelet- és bélsárürítésre

TAKARMÁNYKORLÁTOZÁS
MÓDJAI ÉS A NAPI RITMUS
1. Elfedés („masking”)
• Etetési idő megváltozására → a ritmus
azonnal, átmenet nélkül szinkronizálódik
• Időszakosan juttatott táplálék → a napi
ritmus módosul, de a szabadon futó
ritmusok változása reverzibilis
(a cirkadián oszcillátor működése
érintetlen)

NYÚL MOZGÁSAKTIVITÁSA
IDŐBEN KORLÁTOZOTT
ETETÉSKOR
Amount of activity
time of day

2. Egyidejűsítő-szinkronizáló
(„entrainment”)
• Ütemezett etetésoszcillátor rendszer
külső ritmusok
• Szükséges idő a szabadon futó ritmus
és a zeitgeber ütemének fáziskülönbségétől
függ: átmenet(i idő)
tapasztalható
• Minél nagyobb a fáziskülönbség az
adott funkció és a zeitgeber között,
annál hosszabb a szinkronizáláshoz
számítandó idő

0.9
Ütemezett etetés
ÉS BÉLENZIMEK
0.7
0.5
0.3
0.12
0.10
0.08
33
0.06
0.9
0.7
0.5
food
04 12 20
time of day
04
0.11
0.09
0.07
0.05
Maltase
Trehalase X Alkal. Phosphatase
Invertase Leucineaminopeptidase
0.13
0.11
0.09
0.07

Ad libitum
TAKARMÁNYKORLÁTOZÁS
hatása a vér
KORTIKOSZTERINkoncentrációjára
Korlátozott
takarmányozás

Általában a szinkronizálódáshoz
nem kell több, mint 50-60 nap.
Ha újra visszatérünk az ad libitum
etetésre, a szabadon futó ritmus
mindig az előző etetési módból
indul ki.
Az ekkor létrejövő cirkadián ritmus
hosszát a zeitgeber előző
időszakának hossza és különböző
ciklusai alakítják ki

Dzserbil szabadonfutó aktivitása mókuskerék
jelentléte előtt, közben, után

MAGHŐMÉRSÉKLET ÉS 4 ÓRÁS TAKARMÁNYMEGVONÁS
NYÚLON (24 H)

MAGHŐMÉRSÉKLET ÉS 72 ÓRÁSA TAKARMÁNYMEGVONÁS NYÚLON
ADAGOLT ETETÉS MELLETT
1 2 3 4 5 6 7

ELLÉSI IDŐPONT ÉS
SZOPTATÁS
AD LIBITUM
ILL. KORLÁTOZOTT
ETETÉS NYULON

HUMÁN ALKALMAZÁS

AZ EMBER NAPI RITMUSA