Биологические часы

Для самых разных клеток и тканей оказались характерными колебания концентрации ионов кальция с периодами порядка секунд–нескольких минут. Это взволновало исследователей, потому что именно ионы кальция являются универсальными регуляторами внутриклеточных процессов. Изменение их концентрации часто включает или выключает метаболические процессы – сокращение мышц, активность нервных клеток, определяет их электрическую активность.

Очень может быть, что колебательные изменения потоков кальция в клетке, периодические изменения проницаемости биологических мембран, периодические открывания и закрывания кальциевых каналов обусловлены специфическими физико-химическими свойствами – особенностями взаимодействия именно ионов кальция с фосфолипидными мембранами. Это, по-видимому, следует из замечательных опытов Г.Д. Мироновой в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН в Пущино.

Можно представить себе, что и взаимодействие соседних клеток осуществляется посредством колебаний концентрации кальция. А взаимодействие отдаленных друг от друга клеток, например в разных отделах головного мозга, вероятно, осуществляется посредством относительно низкочастотных электромагнитных колебаний, порождаемых колебаниями концентраций ионов (кальция, а затем натрия и калия) в отдельных мозговых структурах.

Но при чем тут синтез белка? Почему яды, нарушающие синтез белка, останавливают внутриклеточные часы? Это долго не удавалось понять. Успех здесь, как и во многих других областях современной биологии, был обусловлен изучением мутантов.

Существуют гены биологических часов

Более 50 лет назад К.Питтендрич начал изучение периодичности в жизни дрозофил. У разных видов разная суточная активность. Дрозофилы одних видов активны в утренние часы, других – в вечерние. Особенно четко суточная периодичность у них проявляется во время массового выхода взрослых мух из коконов.

К.Питтендрич создал замечательную школу исследователей. Мы обязаны этому ученому многими достижениями. В его лаборатории и было впервые установлено существование у дрозофилы гена биологических часов. В определенных местах хромосом есть ген per, определяющий циркадную периодичность. Мутации этого гена приводят к наследуемым изменениям хода часов. Аналогичные гены были обнаружены у низшего гриба нейроспоры и у крестоцветного растения арабидопсис.

Гены кодируют определенные белки. Следовательно, существуют per-белки, определяющие ход биологических часов. Нарушение синтеза этих белков под действием различных ингибиторов останавливает часы. Синтез per-белка осуществляется периодически; периодичность обусловлена тем, что по мере его синтеза по принципу обратной связи начинается торможение, ингибирование считывания – транскрипции гена.

Как именно достигается эта периодичность, еще не ясно. Однако уже известно, что именно в этой системе регуляции транскрипции существуют звенья (вещества), чувствительные к свету. Именно они даже при очень коротком импульсе света корректируют фазу внутриклеточных часов.

Еще не ясно, как белки – продукты этого гена – управляют жизнедеятельностью. Можно строить пока гипотетические схемы, связывающие образование в клетке этого белка и ритм и амплитуду быстрых кальциевых колебаний. Но что особенно замечательно – это успехи в выяснении, как казалось, самого трудного вопроса – температурной независимости часов.

Как показано в работе группы авторов в 1995 г., per-белки обладают уникальными свойствами. Их аминокислотные цепи образуют петлю: складываются при взаимодействии аминокислот друг с другом. Кроме того, отдельные молекулы белка образуют димеры, соединяясь друг с другом. Процесс внутримолекулярного взаимодействия и процесс межмолекулярного взаимодействия в точности противоположным образом зависят от температуры. Повышение температуры приводит к уменьшению активности одного процесса и увеличению активности другого таким образом, что итоговая «активная поверхность» белка остается постоянной. И часы идут независимо от температуры.

В том, как устроены биологические часы, остается много неясного, но, возможно, скоро мы поймем механизмы их функционирования. Залогом этого служат замечательные методические достижения современной экспериментальной биологии. Примером этих достижений могут служить исследования циркадных часов у арабидопсиса – растения, популярного в последние десятилетия у генетиков.

Как узнать, который час на внутренних часах этого крестоцветного? Методами генной инженерии в геном этого растения встроен ген люцеферазы (фермента системы генерации света) из жука-светляка (!). Такое растение начинает светиться, а интенсивность свечения управляется собственными генами – часами арабидопсиса. Теперь можно изучать тонкости циркадных ритмов различных мутантов этого растения.

Регулировка часов растений. Фитохромы

Как сказано выше, растениям часы нужны не только для подстройки к смене дня и ночи, но и для приспособления к смене сезонов. Они не только отличают весну от осени (в наших средних широтах), но гораздо более тонко приспосабливаются к определенной длительности дня. Есть растения короткого дня и длинного дня. Короткодневные растения зацветают ранней весной вскоре после весеннего равноденствия, растения длинного дня зацветают в дни, близкие к летнему солнцестоянию. Как они определяют длительность дня и ночи? Ответ на этот вопрос – одно из ярких достижений современной науки.

Хромофор фитохрома

На восходе и закате спектры солнечного света, доходящего до поверхности земли, как всем ясно, различны. Низко над горизонтом солнце красное, что обусловлено сильной зависимостью рассеяния света от длины волны: длинноволновый красный свет рассеивается меньше, чем синий. В закатном и сумеречном свете относительно много «дальнего красного», почти инфракрасного, света.

Это изменение спектрального состава солнечного света растения используют для определения длительности дня. Для этого им служит замечательный пигмент фитохром. Этот пигмент существует в двух формах. Одна форма Фк – «фитохром красный» – поглощает свет в «дневной» красной области в районе длин волн 660 нм и ... превращается во вторую форму Фдк – «фитохром дальний красный». Эта форма фитохрома поглощает «сумеречный» красный свет с длиной волны 730 нм и при этом (что самое замечательное) снова превращается «обратно» в Фк. В темноте Фдк медленно превращается в Фк.

Фитохром: синтез и разрушение

Так получается цикл: две формы пигмента превращаются одна в другую в зависимости от времени суток и в соответствии с собственным характерным временем жизни одной из форм. Это часы, регулируемые внешними сигналами. В зависимости от концентрации Фдк находятся и физиологические процессы в растениях – их рост и зацветание.

Фитохромы присутствуют в растениях в очень малых количествах. Это голубые пигменты, похожие по строению на желчные пигменты животных или пигменты некоторых водорослей. В нормальных зеленых листьях они маскируются хлорофиллами и каротиноидами. Для выделения первых миллиграммов чистых препаратов фитохромов в 1960-е гг. пришлось переработать тонны этиолированных (бесхлорофильных) проростков кукурузы.

Таким образом, внутриклеточные часы растений имеют дополнительные фитохромные регуляторы, позволяющие им приспосабливаться к изменениям длительности светлого времени суток.

Часы в организме высших животных

Наконец, немного о биологических часах высших животных. Во всех клетках есть свои часы. Но, как уже сказано выше, многоклеточный сложный организм может нормально существовать только при условии согласованности во времени всех его функций, т.е. должны быть «центральные», «главные» часы, управляющие всеми остальными внутриклеточными часами.

Относительно недавно было показано, что эти «главные» часы расположены в головном мозге в супрахиазменном ядре таламуса. К этим часам подходят нервные волокна от зрительного нерва, с кровью приносятся различные гормоны и среди них вероятно, наиболее важный для настройки часов гормон эпифиза – мелатонин. Эпифиз, бывший когда-то «третьим глазом» у древних рептилий, сохранил свои функции регуляции циркадных ритмов.

В клетках супрахиазменного ядра таламуса циркадная периодичность сохраняется и в опытах, когда эти структуры изолированы из организма. Это позволило выяснить многие особенности действия этих главных часов.

С помощью волокон зрительного нерва и гормона мелатонина эти часы регулируются сменой светлого и темного времени суток, а среди сигналов, действующих на эти клетки, оказалась NO – окись азота.

То, что NO – участник важных биохимических процессов, открыл около 30 лет назад А.Ф. Ванин (в Институте химической физики АН СССР). Сейчас пути образования в клетке этого, как казалось ранее, вполне чужеродного вещества, изучают во множестве лабораторий в разных странах. Становится понятным смысл употребления препаратов нитроглицерина при стенокардии, выясняется механизм расширения коронарных сосудов сердца. Обнаружена роль этого вещества в самых разных процессах. И вот в механизмах временной организации сложного организма NO также играет ключевую роль.

Суточная периодичность может быть очень сложной

Проблема биологических часов не ограничивается чисто научными задачами. Очевидно принципиальное значение этих вопросов для медицины. Изменение физиологического состояния организма на протяжении суток – изменение работоспособности, умственной активности, проявлений иммунитета – всё это необходимо учитывать в повседневной жизни. Одни и те же лекарства могут давать совершенно различные эффекты при приеме в разное время суток, при разных фазах биологических ритмов.

Помимо околосуточных, циркадных, периодов наши организмы подчинены многодневным – околонедельным, околомесячным, годичным и еще более длительным ритмам. Этим вопросам посвящена обширная литература, но они еще далеки от полного выяснения. В последнее время большой интерес вызывают исследования и концепции доктора медицинских наук Л.Я. Глыбина, директора Кардиологического центра Владивостока.

Л.Я. Глыбин полагает, что в сутках есть несколько периодов повышенного и пониженного физиологического состояния организма. Пониженная сопротивляемость болезням, пониженная работоспособность приходится на время 2–3, 9–10, 14–15, 18–19, 22–23 ч местного времени. Высокая работоспособность и сопротивляемость болезням характерна для времени суток 5–6, 11–13, 16–17, 20–21 и 24–1 ч. Соответственно этим периодам, Л.Я. Глыбин полагает желательным начинать день в 5–6 ч утра и ложиться спать до 22 ч, соответственно перестроив всю общественную жизнь, отменив работу в ночные смены, вечерние сеансы кино и театральные спектакли. По его мнению, «совы» отличаются от «жаворонков» только тем, что они используют период 24–1 ч и пропускают чрезвычайно продуктивный период 5–6 ч. Так ли это? Потребуется много усилий, чтобы найти ответы на такие вопросы.

Мы многое узнали в эти недавние годы расцвета исследований природы биологических часов. Еще больше предстоит узнать. Это очень увлекательно. И особое чувство вызывает то, что в каждом новом достижении так или иначе проявляются труды, мысли и жизненные судьбы многих поколений исследователей. Я не мог по краткости времени и места даже упомянуть большинство имен и могу лишь отослать любознательных к книгам и статьям, опубликованным по этой проблеме.

Публикация статьи произведена при поддержке интернет магазина часов и подарков www.095SHOP.ru. Воспользовавшись предложением интернет магазина www.095SHOP.ru, Вы сможете по выгодной цене и с доставкой по всей России купить часы, шкатулки, ручки, принадлежности для курения, аксессуары из кожи, и многие другие подарки и сувениры. В большой каталог предлагаемых часов, входят метеостанции, наручные, напольные, каминные и настенные часы, от ведущих мировых производителей. Все предлагаемые товары сопровождаются подробным описанием и фотографиями внешнего вида, что вместе с комментариями других покупателей и консультацией специалистов интернет магазина www.095SHOP.ru поможет с выбором подарка.

Литература

Бюннинг Э. Ритмы физиологических процессов (Физиологические часы) / Пер. с нем. под ред. И.И. Гунара. – М.: ИЛ, 1961.

Биологические часы / Пер. с англ. под ред. С.Э. Шноля. – М.: Мир, 1964.

Биологические ритмы / Под ред. Ю.Ашоффа. – М.: Мир, 1984.

Глыбин Л.Я. Когда ложиться спать. – Владивосток: Дальневост. кн. изд-во, 1987.

Гэлстон А., Дэвис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения. / Пер.с англ. под ред. Н.П. Воскресенской. – М.: Мир, 1983.

Pittendrich C. S. Temporal organization: reflections of a darwinian clock watcher. // Ann. Rev. Physiology. 1993. V. 55. P. 17-54.

Millar A.J., Carre I.A., Stryer C.A., Chua Nam-Hai, Kay S.A. Circadian clock mutants in Arabidopsis identified by luciferase imaging. // Science. 1995. V. 267.

Huang Z.J., Curtin K.D., Rosbash M. PER protein interactions and temperature compensation of a circadian clock in Drosophila. // Science. 1995. V. 267.