Biologische Rhythmen – Auswirkungen auf die Gesundheit Chronobiologie: Grundlagen der circadianen Rhythmik

Einbezogen in diese circadiane Regulation sind molekulare Prozesse, die Melanopsin produzierenden retinalen Ganglienzellen, die Melatonin produzierende Epiphyse sowie neurale und humorale Faktoren. Der SCN integriert Helligkeitsinformationen der Retina in circadiane Rhythmen, mit denen physiologische und metabolische Prozesse reguliert werden. Mittels Temperaturänderungen, sympathischen und parasympathischen sowie hormonellen Signalen steuert der SCN die peripheren Oszillationen in den unterschiedlichen Geweben.

Durch den circadianen Rhythmus beeinflusste Funktionen

Beispiele für Funktionen, die durch den circadianen Rhythmus beeinflusst werden, sind Kognition und Verhalten, das glymphatische und lymphatische System, die Insulinsensitivität und der Glukosestoffwechsel, das Immunsystem, zelluläre Aktivitäten, das Hormonsystem, das kardiovaskuläre System, das renale System bis hin zur Physiologie des Fettgewebes.

Der fundamentale Mechanismus des circadianen Systems beruht – ausgehend von den Uhrengenen – auf molekularen Transkriptions-Translations-Feedback-Schleifen und findet sich im SCN sowie in den peripheren Zellen.

Uhrengene

Die Hauptkomponenten der molekularen circadianen Rhythmik sind die Gene CLOCK und BMAL1 als aktivierende sowie PER und CRY als inhibierende Regulatoren. Sie codieren jeweils für die gleichnamigen Proteine CLOCK, BMAL1, PER und CRY (Abb. 1).

Genaktivierung und -inhibition

Die Aktivatorproteine CLOCK und BMAL1 (1) schalten jeden Morgen die PER und CRY-Gene im Zellkern an (2), die über die entsprechende Boten-RNS (Messenger RNS/mRNS) dann im Zellplasma in die PER und CRY-Proteine (3) übersetzt werden. Diese bilden Komplexe und wandern im Verlaufe des Nachmittages und Abends dann wieder zurück in den Zellkern (4), wo sie die Funktion der CLOCK und BMAL1-Gene blockieren (5). Dadurch wird die Produktion von Per- und Cry-mRNA abgeschaltet. Im Laufe der Nacht fällt dadurch die Menge an PER und CRY-Proteinen in der Zelle wieder so weit ab (6), dass die Blockade der CLOCK und BMAL1-Gene zu Ende geht, sodass die CLOCK und BMAL1-Gene erneut aktiviert werden (7) und über die Bildung von CLOCK- und BMAL1-Proteinen (1) gegen Morgen eine neue Runde der PER und CRY-Genaktivierung beginnt (2). Dieses Wechselspiel von Genaktivierung und -inhibition in Form einer negativen Rückkopplungsschleife definiert den circa 24-Stunden-Takt der inneren Uhr. Es handelt es sich dabei um ein stabil strukturiertes Netzwerk.

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