Biochemické oscilace

Enzymové oscilace
 Oscilace u živých organizmů byly pozorovány u základních metabolických reakcí jako je glykolýza (běžná reakce v buňkách organizmů, kdy je glukóza přeměňována na pyruvát, u kvasinek v anaerobních podmínkách na alkohol, pyruvát je pak dále rozkládán na konečné produkty buněčného dýchání - oxid uhličitý a vodu). Oscilační chování dále vykazují například soustavy katalyzované křenovou peroxidasou a laktoperoxidasou. Oscilační enzymové reakce byly pozorovány jak u izolovaných enzymů, tak i ve složitějších enzymových soustavách analyzovaných v buněčném nebo bezbuněčném stavu.

 Glykolytické oscilace byly zpočátku pozorovány v suspenzi kvasinek druhu Saccharomyces carlbergensis a později i u dalších druhů. Na základě pozorování periodických jevů v suspenzi buněk nebo buněčných kultur se předpokládá, že glykolýza osciluje
v individuálních buňkách celé populace, přičemž je dosaženo dokonalé synchronizace metabolických stavů ve všech buňkách.

 Glykolytické oscilace (při nichž osciluje koncentrace molekuly nikotinamidadenidinukleotidfosfátu NADH jako produkt glykolýzy)
v kvasinkových buňkách nejsou závislé na biologickém stavu buněk. Byly pozorovány u různých substrátů v aerobních i anerobních podmínkách. Reakci je možno iniciovat přívodem glukosy určitou rychlostí do suspenze anerobně vypěstovaných kvasinkových buněk. Koncentrační oscilace NADH mohou být kontinuálně monitorovány pomocí fluorescenční absorpční spektroskopie. Mají sinusoidový charakter, současně však oscilují i všechny ostatní intermediáty v rozmezí koncentrací od do  . Základní oscilační dvojice je fruktosa-6-fosfát a fruktosa -1,6-bisfosfát, jejichž přeměnu katalyzuje enzym fosfofruktokináza.

Oscilace na úrovni exprese genetické informace
  Epigenetické oscilace jsou důsledkem kontrolních mechanizmů na úrovni transkripce (přepis molekuly DNA do molekuly mRNA) nebo translace ("překlad" z molekuly mRNA do struktury bílkovin) genetické informace a vedou k periodickým změnám množství proteinu odpovídající příslušnému genu, což následně vede k periodické změně struktury nebo funkce. Chemické oscilační reakce jsou někdy označované jako „chemické hodiny“, podobně v případě oscilací v biologických systémech mluvíme o hodinách biologických. Existuje mnoho příkladů biologických rytmů, které se projevují víceméně pravidelným opakováním určitých funkcí a dějů. Tyto rytmy jsou vnitřní-endogenní. Jejich perioda je velmi různorodá.

  Všechny živé organizmy, od nejjednodušších po nejsložitější, vykazují denní rytmy. Přetrvávají i ve zcela neperiodických prostředích, např. ve stálé tmě bez jakéhokoliv signálu o vnějším času. Protože jsou rytmy endogenní, musí být poháněny vnitřním oscilátorem, pacemakerem. Tento pacemaker v neperiodickém prostředí neběží s periodou přesně 24 hodinovou, ale udržuje ji jen zhruba (cirka), proto jsou oscilátory i jimi řízené rytmy nazývány cirkadiánní. S 24 hodinovým dnem je cirkadiánní pacemaker synchronizován převážně pravidelným střídáním světla a tmy.

  Aby cirkadiánní pacemaker mohl plnit funkci vnitřních biologických hodin, musí splňovat určité podmínky. Jsou-li orgán či buňka, o nichž předpokládáme, že obsahují pacemaker, chovány v živném roztoku vně organizmu, musí vykazovat sebeudržující, zhruba 24hodinové oscilace, např. v elektrické aktivitě, metabolizmu, tvorbě různých látek apod. Pacemaker musí být teplotně kompenzován, neboli rychlost chodu hodin nesmí záležet na malých teplotních výkyvech. Je-li pacemaker v organizmu zničen, organizmus se stane arytmickým, neprojevují se u něj denní rytmy. Je-li takto arytmickému organizmu zpětně implantován pacemaker z cizího dárce, může být denní rytmicita organizmu obnovena. Tomuto popisu vlastností pacemakeru vyhovují např. cirkadiánní hodiny uložené v očích mořského měkkýše Aplysia, či pacemaker uložený v epifýze vrabce domácího aj. Cirkdiánní pacemaker u savců, a tedy i u člověka se nachází v hypotalamu,  nositeli oscilací  jsou zde dvě suprachiazmatická jádra, což jsou shluky neuronů uložené poblíž optického chiazmatu (křížení) po obou stranách třetí komory mozkové.

  Přestože byly částečně popsány formální vlastnosti biologických hodin, jejich synchronizace a umístění v organizmech, dosud bylo zjištěno jen málo o pravé podstatě samotných oscilací. Teprve užití metod molekulární biologie umožnilo přiblížit se k podstatě oscilací. Otázka se řešila převážně na dvou jednodušších organizmech: octomilce druhu Drosofila melanogaster a chlebové plísni druhu Neurospora crassa.

Cirkadiánní rytmy octomilky Drosofila melanogaster
  Octomilky jsou drobné mušky hojné v našich domácnostech na zralém ovoci. U jednotlivých octomilek lze pozorovat denní rytmy v pohybové aktivitě: jsou aktivní v době svého subjektivního dne, a to i v neperiodickém prostředí. U populace octomilek byly zaznamenány cirkadiánní rytmy v líhnutí z kukel: líhnou se vždy v časných ranních hodinách.

  Za oba tyto rytmy je zodpovědný jeden gen. Tento gen se nazývá „per“, neboť kóduje tvorbu produktu podmiňujícího opakující se děje o periodě přibližně 24 hod. Gen kóduje per-protein, který obsahuje zhruba 1 200 aminokyselin. Bodová mutace jedné jediné báze a následná změna jedné z aminokyselin v per-proteinu vede k výraznému zkrácení, nebo naopak k prodloužení vnitřní periody. Per-protein se tvoří periodicky v hlavě Drosofiliy. Maximálních koncentrací dosahuje v pozdní subjektivní noci, tj. k ránu.         

   Vzniklá mRNA transkripcí genu je tedy přítomna ve větším množství pouze v určitou denní dobu. Protein,  který   vzniká na matrici mRNA, je proto přítomen také jen v určité denní době (cyklicky). Je-li přítomen,  ovlivňuje  jako  transkripční faktor negativně přepis svého vlastního genu a zpětnovazebná smyčka se  uzavírá.  Modifikovaný protein by však též mohl ovlivnit transkripci dalších genů kontrolovaných hodinami.  Cyklický přepis těchto genů ústí v konečné fázi ve výstupní měřitelné  cirkadiánní rytmy. Vlnovka označuje cirkadiánní rytmus.

 Periodický přepis mRNA, analogické per-mRNA ovocné mušky, byl nalezen i v biologických hodinách jiných organizmů, např. v suprachiazmatických jádrech potkana. Tato mRNA se ve větším množství přepisuje z DNA v době subjektivního dne než v době subjektivní noci. Je-li však potkan v noci osvícen, světelný podnět okamžitě fázově posune cirkadiánní pacemaker do jiného času a dojde k prudkému vzestupu transkripce. I v cirkadiánním pacemakeru savců dochází tedy v okamžiku fázového posunu ke změnám v této mRNA, která může být tudíž i součástí hodin savců.

  obr. 1

Biologické hodiny v chlebové plísni Neurospora crassa
  Chlebová plíseň druhu Neurospora crassa je vláknitá houba, v níž biologické hodiny řídí rytmus cyklické produkce asexuálních spor, tzv. konidií. Součástí hodin je gen frq (z angl. frequency). Obdobně jako u drosofily, byly i u neurospory izolovány cirkadiánní mutanty s periodou výrazně kratší nebo výrazně delší než 24 hodin a mutanty zcela arytmické.
Gen frq kóduje tvorbu proteinu FRQ, obdobně jako per-gen u mušky kóduje tvorbu per-proteinu. Zdá se, že zpětnovazebná smyčka
u  neurospory je velmi podobná smyčce u drosofily. Na genu frq vzniká frq-mRNA, jejíž rytmický přepis byl prokázán, a frq-mRNA je překládaná do FRQ-proteinu. Tento protein tlumí další tvorbu frq-mRNA. Tlumivý vliv FRQ-proteinu na transkripci vlasní mRNA byl již také prokázán. Sled kódujících bází je však odlišný u per a frq genu. Zpětnovazebná smyčka tvorby proteinu jako součásti biologických hodin se nicméně zdá být obdobná jako u drosofily. FRQ-protein, obdobně jako per-protein, by mohl ovlivňovat nejen transkripci vlastního genu, ale též transkripci dalších genů kontrolovaných hodinami, jejichž rytmický přepis indukuje další cyklické změny.

  Periodická sporulace N. crassa pozorovaná na Petriho misce. Kus mycelia byl umístěný v středu misky která obsahovala agar s  minimálním množstvím živin. Po několika dnech ve tmě (nepříznivé životní podmínky stimulují organizmus k rozmnožování) byl  pozorován periodický vznik konidií. Barva konidií je oranžová díky  karotenoidům.

   obr. 2                                                                                 obr. 3   

  Sledování periodického vzniku konidií v tzv. „racetubes“ tj. skleněných trubicích ve vodorovné poloze s vrstvou agaru, kde mycelium neurospory roste z jednoho konce na druhý. Rychlost
růstu závisí na vnějších podmínkách v jednotlivých trubicích např. na koncentraci živin v agaru,
do trubic je zajištěn přívod vzduchu.Ve tmě dochází k periodické produkci konidií (sporulaci), což se projeví světlými skvrnami v trubicích. Vzorek je ve tmě sledován červeným světlem,
které neovlivňuje životní cyklus neurospory.

Význam studia biologických rytmů
Vývoj života na Zemi byl poznamenán cyklickými interakcemi mezi Sluncem, Zemí a Měsícem. Existence rytmických změn v žijících organismech je známkou adaptace na tyto vztahy a slouží jako nepřímý důkaz pro časově závislou proměnlivost odpovědi lidského těla na nejrůznější vnější podněty. Původní biochemie života byla ovlivněna Sluncem a zůstala na něm závislá. Adaptabilita
k cirkadiánní realitě (cyklus přibližně 24 hodin) naší planety byla nezbytnou podmínkou života. Organismy si musely vytvořit zásobu energie během doby sluněčního světla pro její spotřebování během tmy. Tato základní cirkadiánní periodicita byla inkorporována a uchována v genomech všech organismů. Cirkadiánní organizace je tak základní vlastností života, jejíž narušení může mí letální důsledky. Příkladem jsou vážné zdravotní problémy způsobené nedostatkem spánku. Životní formy, které se vyvinuly na částech zemského povrchu tam, kde den a noc mají relativně stejné trvání po celý rok, vytvořily méně cyklů než ty, které se musely vyrovnat se sezónními rozdíly. Chronobiologie studuje biologické rytmy a tedy strukturu biologického času.
Praktický význam studia biologických rytmů nacházíme mimo jiné v medicíně. Mnoho hormonů, enzymů a jiných látek v lidském těle vykazuje periodickou změnou aktivity. To se odráží mimo jiné v periodicitě některých onemocnění (v psychitatrii např. maniodepresivní a schihzoafektivní poruchy), a také na farmakokinetice některých léků. Následující tabuka ukazuje frekvenční spektrum biologických rytmů člověka.

Zpracováno podle:
Duršpek J.: Moderní termodynamika v chemických a biologických procesech, Plzeň 2005.
Höschl, C. Libiger, J., Švestka, J.: Psychiatrie, Tigis, Praha 2002
Höschl, C.: Chronobiologie a léčba deprese. VII. Slovenský psychiatrický zjazd, 2006
Illnerová H.: Blížíme se k poznání podstaty biologických hodin?, Vesmír 73, 425, 1994/8.
Murray R. K.: Harperova biochemie, H&H, Praha 2001.
Ruoff P.:The Sporulation Rhythm of Neurospora crassa, Stavanger University: http://www.ux.uis.no/~ruoff/Neurospora_Rhythm.html
Tockstein A., Treindl L.: Chemické oscilace, Academia, Praha 1986.

Obrázky: obr. 1:(Illnerová, 1994), obr. 2, 3 (Ruoff)