Los Ojos Del Reloj En Los Mamiferos

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I CIENCIAS 69 ENERO. MARZO2003

Durante el transcurso del día los animales están expuestosa cambios en la iluminación natural, de tal forma que la conducta de muchos puede estardeterIÍ1inadapor las condiciones de luz u obscuridadque les rodean. La luz es un agente de particular importancia para la sincronización de los ritmos circadianos, tanto en animales diurnos como nocturnos, e incluso una luz tan tenue como la de una noche estrellada es suficiente para dar información a los relojes biológicos de los animales. Los ritmos circadianos permiten que los seresvivos coordinensusfunciones internas con las variaciones ambientales diarias. Éstosse caracterizan por serendógenos,es decir,que en ausencia de señales ambientales cíclicas se manifiestan con un perio-

do aproximado al de la rotación de la Tierra (de ahí el término circadiano: circa, cerca y diano, día). Sin embargo,en la naturalezano pareceque los ritmos circadianos presenten periodos distintos al de un día,lo que indica que el mecanismo de generación del ritmo se encuentra ajustadoa los ciclos diarios presentes en los factores ambientales. La sincronización

del reloj

Por aproximadamente tres décadas, diversos investigadores han dedicado su atención a la forma en que funciona el reloj circadiano y la manera en que se ajusta a los ciclos diarios. La luz parece actuar sobre el reloj circadiano de dos formas, la primera, conocidacomo sincronizaciónno pa-

ramétrica, que consiste en la presencia de pulsos de luz a la hora del amanecer y del ocaso, cuya duración es de horas a minutos. Este tipo de estímulos son las señales fóticas a las cualesestariaexpuestoun animal nocturno que a 10largo del día se mantiene en su madriguera oscura. La luz ajusta al reloj circadiano únicamente durante estosdos periodos de exposición. El segundo tipo de sincronización es la paramétrica, en donde la acción de la luz comprende la exposición constante a la irradiación durante la mayor parte del periodo de iluminación. Los animales están expuestosa cambiosde intensidad y de variaciones en el espectro de la luz natural. En este tipo de sincronización los ajustesa la velocidad interna CIENCIAS 69 ENERO.

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del reloj circadiano se hacen de manera constantemientras se mantenga el periodo de iluminación y suintensidad dependede la hora a la que sepresentala luz y de su propia intensidad. Los ojos del reloj

La información que da la luz al reloj circadiano es mediada por estructuras sensibles a ella conocidas como fotorreceptores circadianos. Las vías neurales que van del fotorreceptor llegan directamente al sistema que contiene el marcapasos del reloj y no a sistemas de integración de visión. La ubicación de estos fotorreceptorescircadianoses diversa según el grupo animal en que se estudie; en invertebrados y vertebrados no mamíferos, por ejemplo, distintos fo-

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torreceptores se encuentran fuera de la retina y son conocidos como fotorreceptores extrarretinianos. Aunque la ubicación de estosfotorreceptores es diversa,en general;puede considerarse que existe foto sensibilidad en distintas regiones del sistemanervioso central. Ejemplos típicos en invertebrados incluyen desde crustáceos decápodosque presentan fotorreceptores extrarretinianosen el sextoganglio abdominal y en el ganglio cerebroide, hastamoscasde la fruta en las cuales casi cualquier parte del cuerpo que contiene la maquinaria mo1ecu1ardel relOjes sensible a la luz. En los vertebrados no mamíferos la glándula pineal es el fotorreceptor extrarretinianomás reconocido,mientras que en algunas especiesde reptiles existe el ojo parietal (tambiénlla-

mado tercer ojo), y en ausenciade los fotorreceptoresanteriores,en algunos reptiles su capacidadde responder a la luz es mediante fotorreceptores existentes en el cerebro profundo. En los mamíferos la organización es distinta, ya que la información que da la luz al reloj estamediada por células contenidas exclusivamente en la retina. La preguntaque surgea raiz de estasdiferencias es ¿por qué sólo el grupo de los mamíferos es carente de fotorreceptores extrarretinianos? La retina de los mamíferos

La respuesta a esta pregunta es incierta, sin embargo,diversashipótesis apuntan a que durante su evolución temprana,los mamíferos pasaronpor procesosde selección (a 10que algu-

nos investigadoreshan llamado "cue- den a su vez depender de distintos llo de botella") que dieron como resul- fotorreceptores circadianos. De ahí tado una reorganización del sistema que en sistemas con múltiples marcircadiano entero, y en particular de capasos,se espera la existencia de los fotorreceptores circadianos. Se múltiples sistemas fotorreceptores cree que los primeros mamíferos, al circadianos. En el casode los mamíser nocturnos, dependían de los sis- feros se sabeque el principal marcatemas fotorreceptores más sensibles pasoses el núcleo supraquiasmático para dar la información fótica al re- del hipotálamo, y que aunque se preloj circadiano, de tal forma que otros sume de la existencia de otro, como fotorreceptores circadianos menos el que regula funciones digestivas,no sensibles fueron perdiendo influense ha localizado ningún marcapasos cia en los mecanismos centrales del en mamíferos de la importancia del reloj, hasta dejar de ser funcionales núcleo supraquiasmático del hipotácomo fotorreceptorescircadianos.Es- lamo. Al existir un solo marcapasos ta teoria se basa principalmente en principal, se mantiene por lo tanto el hecho de que actualmente se co- un solo fotorreceptorcircadiano,el de nocen diversas especiesde vertebra- mayor sensibilidada los cambiosmás dos e invertebrados de hábitos noc- tenues en intensidad y en compositurnos, que presentanuna reducción ción espectralde luz. significativa en la sensibilidad de foHasta el momento se sabeque los torreceptores extrarretinianos. Algu- mamíferos carecen de fotorreceptonos ejemplos son la pineal en algu- res extrarretinianos y que todas las nos búhos, que es muy pequeña o respuestasa la luz son mediadas por incluso ausente,o bien la falta de ojos la retina. La glándula pineal de los parietales en reptiles de hábitos prinmamíferos, sin embargo, presenta cipalmente nocturnos. En el casode gran parte de los elementos necesalos insectos, se discute si la cucara- rios para la fotorrecepción, pero ésta cha también ha perdido fotorrecep- no responde a la luz; aunque existen tores circadianos extratrretinianos. algunos reportes de que se puede inSin embargo, también es frecuente ducir fotosensibilidad en células culencontrar especiesnocturnas en las tivadas de la glándula pineal de ratas que no se cumple estatendencia. neonatas. La diversidad en los fotorreceptoEn la retina, la energía luminosa res circadianos de los animales pare- es transducida por los conos y los ce también ser consecuenciade que bastones, estas células pasan la incadauno tiene influencia sobre un tiformación a neuronas de segundo y po de oscilador en particular. En los tercer orden, entre las cuales se enanimales no mamíferos existendiver- cuentran las bipolares y posteriorsos tejidos, principalmente de origen mente las ganglionares. En esta red neural, que funcionan como marca- de células Ccoordinadas también por pasos circadianos, ya que son capa- otras neuronascomo amácrinasy hoces de oscilar de manera autónoma rizontales)esdonde selleva la primey de coordinar funciones fisiológicas ra fase de integración de la informaa través del tiempo. Así los animales ción visual antes de ser transmitida que presentan diversos marcapasos al cerebro. El núcleo supraquiasmácoordinando distintas funciones,pue- tico del hipotálamo recibe la inforCIENCIAS 69 ENERO.

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mación lumínica vía el nervio óptico, principalmente por el tracto retinohipotalámico y la hojuela intergeniculada. ¿Dónde

se hallan los fotorreceptores?

Se esperaría que los conos y los bastones fueran en sí las células fotorreceptoras,al serla retina el tejido que media la fotorrecepción circadiana. En diversos experímentos realizados con ratones que presentan una mutación en la cual degeneranbastones y en aquellos en que se ha inducido una degeneracióntransgénica de conos -considerados como conductualmente ciegos-, las respuestaseléctricas de la retina a un pulso de luz (electrorretinograma) son ausentes y las retinas estudiadas histológicamente muestran pérdida de bastones y de conos; sin embargo,estosanima-

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les aún son capaces de sincronizar sus ritmos a ciclos de luz tan tenues como la luz reflejada por la luna. Esto ha sugerido que los fotorreceptores que llevan la información luminosa al reloj son distintos a los conos y bastones. La evidencia de que no se trata de células invo1ucradasen la visión hace más interesante el problema de su localización, aunque se sabe que tales fotorreceptores residen en la misma retina. Debido a que los fotorreceptores circadianos son distintos a los que intervienen en la visión, los mejores candidatos son las neuronas gang1ionaresy las bipo1ares.A raíz de ello surgen interesantes preguntascomo ¿cuáles el fotopigmento que contiene el fotorreceptor circadiano? (la molécula sensible a la luz que inicia el procesode transducción de la información).

En los conos y bastones, el fotopigmento es la rodopsina, una combinación entre una molécula fotosensib1e llamada cromóforo (retina1) , el cual es un derivado de la vitamina A, y una proteína conocida como opsinaoLa sensibilidad espectral de la rodopsina va desde 400 nanómetros (luz violeta-azul) hasta 700 (rojo lejano) y su máxima sensibilidad es a 500 (verde-amarillo).

La sensibilidad

tral del reloj circadiano

espec-

sugiere un

cromóforo semejante al retina1 de opsina. Los fotopigmentos base retina1 que han sido extraídos de los ratones mutantes rd son la me1anopsina (que también se encuentra en los me1anocitos de la piel de los anfibios) y un tipo de opsina ancestral, localizadas ambas en las células bipo1ares y ganglionares de la retina. El segundo candidato es un miembro de la familia de los criptocromos,

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los cuales son moléculas fotorrt toras con base en flavinas del g de las fotoliasas.Es decir, que so ;emejantes a enzimas reparadoré ADNque dependen de la luz, est ~S, fotorreactivas. En la maquinaria lOlecular del reloj circadiano, los lptocromos han perdido su activ de fotoliasa y en la mosca de la lta Drosophila parece ser el único :0rreceptor que media la informa lumínica en la maquínaria molel lar del reloj. Los criptocromos'han localizadostambién en los mamí pero ya no con la función de mo la fotorreceptora como en DrosoJ. es decir,que parecen estar ínVOll dos en la maquinaria molecula reloj mismo más que como un : ble fotorreceptor. Una manera de estudiar la ción de un gen en la fisiología d( ganismo es mediante la produc de mutantes para esegen, lo qU( nifica que ésteha sido elimínado expresión ha sido modificada. E te sentido, los ratones mutantes no producen criptocromos muef una arritmia total, por 10 cual n

sido posible distinguir su posiblpo Ja-

respuesta a la luz de forma distito-

pel como fotopigmentos de los

la que tienen los fotorreceptoreni-

rreceptores circadianos en esto~de

ra la visión. Esto significa que

males.

siología de algunas células gangl coml

os

res estaría dedicada a recibir y 1

criptocromos han sido localizad!

Tanto la melanopsina

en

la información

células ganglionares,

as

Thdo esto nos permite reflexi

células ganglionares marcadas 1Jnro-

sobre cuáles han sido los procesl

gradamente desde el núcleo S\ ra-

selección que han dado lugar aan

quiasmático del hipotálamo presf

un grupo especializado de céluI. me lugar como fotorreceptores ( dianos en los mamíferos. Con costumbre en el desarrollo del ( cimiento

Universidad

suele favorecer el mejoramien los sistemas existentes, aument su eficiencia más que origínando vos. Ahora no sólo cabe pregun ¿por qué los mamíferos presenta fotorreceptores

¿por qué en la evolución de la r los fotorreceptores visuales y l( torreceptores circadianos parece

distintos? .

A., J. M. Delgado, 2002.

'Pholoreceplive

Los

relojes

C. Escobar que

y R. .A

gobiernan

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FcE/sEP, México.

Facultad de Ciencias,

científico,

miento da lugar a más pregunta~

Roblero.

Manuel Miranda Anaya

clos de luz diaría hacia el reloj (lte diano.

en la revista Science,muestra qu

Gruart,

I

sin eínb.ad :0,

un estudio publicado recientem

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zorra roja y cachorro,

CIENCIAS 69 ENERO.

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MARZO 200: