EVALUACION DEL BIENESTAR ANIMAL

1
RITMOS BIOLOGICOS Y MELATONINA
2
RITMOS BIOLÓGICOS

• 1. RITMOS BIOLOGICOS DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN
• Periodicidad Biofísica y Periodicidad Biológica
• Clasificación de los ritmos biológicos.
• Parámetros de los ritmos biológicos
• Tipos de ritmos en función del periodo/frecuencia
• Ritmos biológicos y ritmos endógenos. El reloj
  biológico
• 2. RITMOS CIRCADIANOS.
• Características y propiedades de los ritmos
  circadianos
• Sincronización (entrainment, encarrilamiento).
  
• Efecto de la luz.
• Efecto de la alimentación. Otros zeitgebers
• Curvas de respuesta de fase
• Estructura molecular del reloj circadiano
• El RELOJ circadiano de los mamíferos
• El núcleo supraquiasmático del hipotalamo
• Entrada de información fótica y no fótica

3
RECONOCIMIENTO DEL TIEMPO EN LOS SERES VIVOS
Ciclos circadianos Luz-oscuridad y
temperaturas (Rotación terrestre.
P. 24 horas).
Ciclos lunares Alternancia de las mareas,
luminosidad del cielo nocturno (Traslación lunar.
P. 28 días).
Ciclos circanuales Diferencias en la intensidad
de luz, fotoperiodo y temperatura (Traslación
terrestre. P. 1 año).
4
Factores cíclicos medioambientales FOTOPERIODO,
Temperatura, Depredadores, Disponibilidad de
alimento, Hábitos sociales, etc
Organismos Variables biológicas de carácter
cíclico ritmos biológicos
Actividad locomotora Ciclos sueño/vigilia Aliment
ación Reproducción etc
Los ritmos biológicos más estudiados son los
ritmos circadianos y los anuales
5
Ritmo biológico variación cíclica de un
parámetro biológico que se repite a intervalos
regulares de tiempo, siendo por tanto previsible..

• Periodo intervalo de tiempo entre dos
  acontecimientos idénticos, es decir, es la
  duración de un ciclo completo. Se denomina como T
  (periodo del ritmo manifiesto) o t (periodo del
  ritmo endógeno).
• Amplitud diferencia entre el mesor y el valor
  máximo alcanzado por la variable durante un
  periodo
• Mesor valor medio de la variable a lo largo de
  un periodo.
• Acrofase valor máximo de la variable a lo largo
  de un periodo.
• Batifase valor mínimo de la variable a lo largo
  de un periodo.
• Ritmos en Fase describe la relación temporal
  entre dos ó más ritmos.

6

• Tipos de ritmos biológicos
• Según su frecuencia (periodo)
• Ritmos ULTRADIANOS. Alta frecuencia. T seglt 20
  h
• electroencefalograma, electrocardiograma,
  respiración, secreción hormonal pulsatil, fases
  del sueño.
• Ritmos CIRCADIANOS. Frecuencia media, 20hlt T
  gt28h
• sueño vigilia, reposo-actividad, componentes de
  la sangre y orina, procesos metabólicos,
  secreción hormonal
• Ritmos INFRADIANOS. Baja frecuencia. T gt 28 h
• ciclo menstrual.
• Ritmos CIRCANUALES o ESTACIONALES. T 325 días
• reproducción, hibernación

7

• Según el origen y su relación con los ritmos
  geofísicos
• Ritmos NO ENDÓGENOS el ritmo es respuesta
  pasiva a las variaciones de un factor ambiental.
  En su ausencia no hay ritmo.
• Ritmos ENDOGENOS generados por estructuras
  internas del individuo
• -Ritmos no geofísico dependientes
• ciclos breves (actividad neuronal, latido
  cardiaco, respiración, secreciones
  hormonales pulsatiles, fases del sueño,..)
• -Ritmos geofísico-dependientes
• ciclos medios diarios, semanales, mensuales
• ciclos largos estacionales o anuales.
• En general el término CIRCA- se asocia a la
  presencia de un ritmo endógeno geofísico-dependie
  nte.
• Pruebas de un ritmos CIRCA-
• ?Evidencia de la endogenia el ritmo no es
  consecuencia pasiva de la oscilacion ambiental
• ?Reloj biológico que mantiene la oscilación

8

• Ritmos ULTRADIANOS

Ejemplo Fases del sueño, sueño REM y NREM
There are four stages (1 2) which are shallow
into deep sleep/slow wave sleep (3 4). These
cycles continue throughout the night with (SWS)
becoming shorter and REM becoming longer as the
night progresses. Cycles last for approx 60 mins
in early infancy and 90mins in adolescence.
9

• Ritmos ULTRADIANOS

Ejemplo Actividad eléctrica cerebral
The use of an electroencephalogram (EEG) can show
the electrical activity of the brain. There are
different patterns of activity at different times
during sleep (Rechtschaffen Kales, 1968
10
Parámetros hemáticos Parámetros
cardiovasculares Bioquímica sanguínea Ciclo
sueñovigilia Ciclo actividadreposo Temperatura
corporal Digestión y metabolismo Producción de
orina Secreción hormonal

• Ritmos DIARIOS/CIRCADIANOS

Ejemplo parámetros hemáticos
11
Ejemplo parámetros cardiocirculatorios
12
Ejemplo parámetros digestivos
13
Ejemplo parámetros metabólicos/hormonales
14
Ejemplo parámetros metabólicos/hormonales
15
Ejemplo ritmo de sueño-vigilia/ temperatura
corporal
16
Ejemplo ritmos de secreción hormonal
17
Ritmos diarios de secreción hormonal alteraciones
18

• Ritmos INFRADIANOS (mensuales) en fisiología

Ejemplo ciclo menstrual en la mujer
19

• Ritmos INFRADIANOS (anuales o estacionales)

Reproducción Crecimiento, masa corporal Ingesta
de alimento Hibernación
Ejemplo reproducción en estacional en especies
de fotoperiodo corto
Ejemplo hibernación/ ingesta/masa corporal
Ciclo reproductivo anual en la oveja
Cambios anuales en la ardilla hibernación,
ingesta, masa corporal
20
RITMOS BIOLOGICOS ENDOGENOS Y NO ENDOGENOS
Ritmos biológicos endógenos
21
RITMOS BIOLOGICOS ENDOGENOS aquellos que
permanecen en condiciones ambientales
constantes. Los ritmos son originados por
estructuras/mecanismos endógenos conocidos como
relojes/osciladores/marcapasos.
Breve historia del reloj biológico

• Hasta edad media variaciones rítmicas ? cambios
  en factores ambientales y astronómicos.

• 1729 Dortous de Mairan demuestra ritmos
  independientes del ciclo LO. Ritmos intrínsecos
  al individuo, reloj interno

• De Candolle Ritmos de duración 22-23 h
  Inversion de ritmos

• S XX fundación de la Society for Biological
  Rhythms. Nace la cronobiología

22
La primera demostración de un ritmo circadiano
por Jean Jacques dOrtous de Mairan en 1729
23
Circadian rhythms in all living organisms
Circadian rhythms allow living organisms to live
in phase with the alternance of day and night...
24
CIRCADIAN RHYTHMS IN ALL LEVELS IN THE BODY
CELULAR ? Expresión génica, actividad
eléctrica, síntesis y liberación de
neurotransmisores. FISIOLÓGICO ? Temperatura,
presión arterial, frecuencia cardíaca, niveles de
hormonas en sangre. CONDUCTUAL ? Conducta
alimentaria, ciclo sueño/vigilia, actividad
locomotora
CELULAR
MOLECULAR
COMPORTAMIENTO
FISIOLÓGICO
25
Ej. Ritmos circadiano de actividad locomotora
En el laboratorio los ritmos más monitorizados
son los ritmos de actividad locomotora. Son
ritmos claramente endógenos.

• Registros
• Actogramas
• Periodogramas

Actograma de doble plot
26
Ritmos Circadianos
-Periodo (t) próximo a 24 h -Asociados a cambios
ambientales derivados de la rotación de la Tierra
Propiedades 1. Persistencia en condiciones
ambientales constantes -ritmos endógenos o
ritmos en free-running T periodo del ritmo
bajo condiciones ambientales cambiantes
(presencia de un agente que ajusta el ritmo. t
(tau) periodo del ritmo en condiciones
constantes, periodo del reloj circadiano.
Valor próximo a 24 h, normalmente entre 22-26
horas.
27

• Evidencias de la endogenia
• El ritmo persiste en condiciones constantes
  (DD LL), pero sus características
  (periodo,fase temporal) están alteradas.

Actividad locomotora circadiana en el hamster
28

• Evidencias de la endogenia
• El ritmo persiste en condiciones constantes
  (DD LL).
• T (periodo del ritmo ajustado) se transforma en
  t (periodo del ritmo endógeno).
• t valor ? a 24, aunque cercano
• si t lt 24 ritmo en avance de fase
• si t gt24 h ritmo en retardo de fase

T 24
t 23.2
Dia subjetivo
Noche subjetiva
Ritmo en free running o libre curso
Si t lt 24 h ritmo evoluciona con avance de
fase Si t gt 24 h ritmo evoluciona con retardo
de fase
29

• Propiedades de los ritmos endógenos
• 2. Ajuste o encarrilamiento mecanismo por el
  cual un ritmo endógeno puede ser encarrillado
  (modificado) por un agente denominado
  zetigeber.
• Presencia del encarrillador (sincronizador) o
  zeitgeber ajusta el ritmo
• t (periodo del ritmo endógeno) ? T
  (periodo del ritmo ajustado)

• La luz (alternancia diaria luzoscuridad) es el
  zeitgeber más potente. Su acción encarrila la
  actividad del reloj circadiano de forma que la
  duración de su periodo se ajusta exactametne a la
  duración del ciclo lumínico impuesto (24 h).

30
No zeitgeber (DD LD) ? Free running //
Zeigeber (LD) ? Entrainment
31

• El ciclo LO limita el tiempo de actividad a la
  fase diaria o nocturna (oscuridad ? animal
  nocturno luz ? animal diurno)

• Un zeitgeber potente (ciclo LO) puede comprimir
  la actividad interna de reloj a una fase
  concreta del dia.
• El reloj tiene una cierta capacidad de memoria
  de la exposición previa al zeitgeber

32

• Límites al encarrilamiento interno por un
  zeitgeber externo
• El ajuste es posible siempre que T t ? 2h
• Si se sobrepasa ese límite ? arritmia y/o
  desincronizacion interna

Ejemplo de desincronizacion interna en el humano
33

• Un solo pulso de luz provoca cambios de fase en
  el reloj circadiano

34

• Curvas de Respuesta de Fase definen la
  respuesta diferencial del reloj circadiano
  (avances o retardos de fase de distinta duración)
  al dar pulsos de luz en momentos distintos a un
  individuo que está en condiciones constantes
  (DD).

35

• Las CRF en respuesta a la luz son universales.
  Todos los organismos vivos responden de forma
  similar.
• Indican que ritmos dependen de la activdad de un
  reloj endógeno.

• Los estímulos no fóticos también provocan CRF,
  pero son inversas a las de la luz

36

• La acción encarrilladora de la luz puede
  aprovecharse para provocar avances o retardos de
  fase del reloj circadiano. Ello puede contribuir
  a que su ajuste al ambiente externo sea más
  rápido.

37
Ejemplo ajuste diferencial por la luz (con
avances o retardos de fase) del ritmo endógeno en
roedores.

• Si un individuo presenta retardo de fase, su
  ajuste ocurre por luz aplicada al final de la
  noche.
• Si está en avance de fase, su ajuste ocurre por
  luz aplicada al inicio de la noche.

38
Ejemplo ajuste por la luz del ritmo de
melatonina plasmática en pacieNtes con Sindrome
Depresivo estacional.
39

• Zeitgebers no fóticos para el sistema circadiano
• El ciclo luz oscuridad diario es el zeitgeber
  más importante para todos los seres vivos. Su
  presencia permite ajustar el periodo del reloj
  circadiano a 24 h. Dicho ajuste predomina sobre
  la influencia de otros zeitgebers que puedan
  estar presentes.
• Existen muchos otros zeitgebers que se han
  agrupado bajo el término NO FOTICOS.
• El alimento (acceso a la comida) se ha propuesto
  como un potente zeitgeber que puede
• -encarrilar ritmos diarios
• -interactuar con los ritmos diarios
  encarrillados por el ciclo LO
• En base a las experiencias, se ha propuesto que
  en los peces podrían existir dos osciladores
  circadianos
• -encarrillados por la luz (light entrained
  oscillator LEO)
• -encarrilados por el alimento (feeding entrained
  oscillator FEO)

No hay pruebas concluyentes de la existencia de
un oscilador autónomo encarrilable por el
alimento
40
Ejemplo 1 la restricciones de alimento como
potencial zeitgeber
F.R.
F.R.
Conducta anticipatoria
41
Ejemplo la restricciones de alimento como
potencial zeitgeber
Fig. 1. Representative double-plotted wheel
running actograms of mice in the scheduled
feeding paradigm. Mice stably entrained to
scheduled feeding (a-c) and a nonentrained mouse
(d). Two weeks of a 1212-h light-dark cycle
followed by constant dark (DD), and 170-, 112-,
118-, and 201-day records, respectively. Shaded
boxes indicate periods of food availability.
Arrowheads indicate light-entrainable activity
component. Arrows identify food anticipatory
activity.
42
Ejemplo 2 el contenido calórico puede modular la
actividad circadiana
Daily wheel-running activity in two ad
libitum-fed mice (left column), two
normocalorie-fed mice (middle column), and two
hypocalorie-fed mice (right column). First period
(1 week) in constant darkness and ad libitum
feeding (DD AL) second period (2 weeks) in
light/dark cycle and ad libitum feeding (LD
AL) third period (3 weeks) in light/dark cycle
and food restriction (LD FR) and fourth period
(2 weeks) in constant darkness and ad libitum
feeding (DD AL). Successive 24 h periods are
double plotted (48 h horizontal time scale).
Nighttime, when mice were housed under light/dark
conditions, is indicated by black bar on top
abscissa. Time of feeding during food restriction
is indicated by a vertical arrow 6 h after lights
on. AL, Ad libitum feeding DD, constant
darkness FR, food restriction LD, light/dark
cycle.
43
Ejemplo el contenido calórico puede modular la
actividad circadiana
44
Ejemplo 3 Otros. Melatonina modula la actividad
circadiana
Fig. 2. Actograms of double-plotted running wheel
activity records of the diurnal A. ansorgei (A
and C) and the nocturnal rat (B) at two
sequencesof a study (LD, upper panel DD, lower
panel). In A and C, entrainment to MEL by phase
advances (16 min) and delays (-8 min),
respectively, is shown in the A. ansorgei.
Entrainment to a phase advancing MEL stimulus
occurs at identical circadian time (CT) in the
nocturnal rat (B 16 min) and the A. ansorgei
(A). Refer to Fig. 1 for technical details. Data
in B are unpublished results from a previous
study 36
45
Ejemplo drogas de abuso pueden actuar sobre el
reloj circadiano
Metanfetamina
Fig. 1. Actogram from a representative rat from
Group 2. Injections are indicated by the vertical
line at 900. The free-running rhy1hms were
derived by first using a cosine fit to establish
the phase for days 6-17 before and days 61-71
after injection. These lines were adjusted by
eye, and extrapolated to show the predicted
phases during MA injections. Free-running rhy1hms
were established during habituation, and
continued, though partially masked, through MA
injections. The period of the free-running rhy1hm
was similar before (26.1 h) and after (26.3 h)
MA, but a phase shift of about 9 h occurred at
some point during the course of MA injections.
Anticipatory activity is particularly evident in
the last days of MA injections, and is also more
apparent when the free-running active period is
coincident.
46
Actividad social/laboral trabajo en turnos
47
Actividad social/laboral trabajo a turnos
48
Actividad social/laboral jet lag
49
Otras El envejecimiento debilita el sistema
circadiano
50
Propiedades 3. Los ritmos circadianos están
determinados genéticamente
Drosophila gen per
Konopka RJ Benzer S (1971) Clock mutants of
Drosophila melanogaster. Proc Natl Acad Sci USA
68, 2112-6.
Locomotor activity in per mutants of Drosophila
melanogaster
51
Ratón gen per1 / per2
Ratón gen clock
52

• MECANISMOS MOLECULARES DE LOS RELOJES
  CIRCADIANOS

• GENES RELOJ su expresión condiciona la aparición
  de ritmos en el individuo.
• Su expresión es rítmica. Son la maquinaria
  molecular del reloj.
• Entre estos genes destacan el per, frq, clock,
  bmal, cry, tim,..
• Su ritmicidad parece fundada en la existencia de
  bucles de retroalimentación entre las proteínas
  resultantes de la transcripción del gen y un
  efecto represor de las mismas sobre la expresión
  de los genes reloj.

53
(No Transcript)
54
Core mechanism (1) negative feedback loops
Core mechanism (2) negative and positive
feedback loops
Dunlap JC (1999) Molecular bases for circadian
clocks. Cell 96 271-290. Young MW Kay SA
(2001) Time zones a comparative genetics of
circadian clocks. Nat. Genet. 2 702-715.
55

• Circadian clock molecular network in vertebrates

El modelo del reloj molecular en mamíferos
propone que el dímero CLOCK-BMAL1 activa la
transcripción de los genes Per y Cry (I). Las
proteínas CRY y PER forman multímeros que
translocan al núcleo e inhiben la activación de
la transcripción inducida por CLOCK-BMAL1 (II).
La retroalimentación negativa de las proteínas
CRY y PER sobre la transcripción de sus propios
genes es retrasada por la fosforilación de las
proteínas PER por acción de CKle (III). La
transcripción de Rev- erba es también activada
por CLOCK-BMAL1 e inhibida por el complejo
PER-CRY, produciendo una oscilación en los
niveles de REV-ERBa, una proteína que, a su vez,
inhibe la transcripción de Bmal1 (IV). El
resultado de estos ciclos de retroalimentación es
la oscilación en los niveles de ARNm y proteínas
de varios de los genes reloj y de genes
controlados por el reloj.
56
(No Transcript)
57

• Circadian clock molecular network in vertebrates

La luz directa o indirectamente actúa sobre las
estructuras que contienen los genes reloj,
modificando la fase de los ritmos circadianos
58
EL SISTEMA CIRCADIANO
CICLOS AMBIENTALES (luz, Tª, alimentación,
interacciones sociales, etc.)
ENTRADAS de información mediante los
transductores
MARCAPASOS CIRCADIANO DEL ORGANISMO Genes reloj
SALIDAS del marcapasos neurales o humorales
(PK2,TGF-a, melatonina, etc.)
RITMOS MANIFIESTOS (ritmos de actividad
locomotora, ritmos de alimentación...)
59
Estructura de sistema circadiano de los mamíferos
60
LOCALIZACION ANATOMICA DEL RELOJ CIRCADIANO

• Invertebrados estructuras ópticas o relacionadas
  con la detección lumínica.
• Peces Retina
• Órgano pineal
• Estructura hipotalámica (?)
• Anfibios y Reptiles Retina
• Órgano pineal
• Hipotalámo (?)
• Aves Retina
• Órgano Pineal
• Hipotalámo
• Mamíferos Retina
• Núcleo supraquiasmático (NSQ) del hipotálamo
  reloj principal

• La extirpación o alteración funcional de alguna
  de estas estructura va a comprometer en mayor o
  menor medida a la expresión de los ritmos
  circadianos.
• En estas estructuras se manifiestan actividades
  neurales y/o endocrinas rítmicas.
• La luz es capaz de ajustar esos ritmos
• Se expresan genes reloj con ritmos circadianos
  que responden a la luz.

61

• Bases neurales de la ritmicidad Núcleo
  supraquiasmático

Localización base del hipotálamo, dorsalmente al
quiasma óptico Núcleo pequeño aprox. 10.000
neuronas.

• Lesiones del NSQ eliminan los ritmos

SNQX
62

• Transplantes con tejido fetal conteniendo los
  NSQ restauran los ritmos circadianos de actividad
  motora perdidos por lesión previa del área.

• Las neuronas del NSQ presentan ritmos circadianos
  de actividad eléctrica

• La función del marcapasos es intrínsica a las
  neuronas del NSQ

63

• Alrededor de un 10 de las neuronas del NSQ
  expresan genes reloj.
• Estos genes se expresan de forma rítmica y los
  ritmos son ritmos son ajustados a 24 h por el
  ciclo LD.

64
(No Transcript)
65
Entradas de información al NSQ
Neurotransmisores Glu, SP
a) El tracto retinohipotalámico vía fótica

• La estimulación de estas vías genera alteraciones
  en la fase de los ritmos circadianos con CRF
  similares a las de la luz.
• Es la principal vía para la sincronización de los
  ritmos circadianos.

66
Light entrainment by the retinohypothalamic
pathway
Glu, SP
SCN CIRCADIAN PACEMAKER ? LIGHT ENTRAINED
OSCILLATOR (LEO)
67
SP SubstanciaP PACAP Péptido activador de la
adenil-ciclasapituitaria MAPK
Proteín-quinasaactivada por mitógeno CREB
Proteína que se una al elemento de respuesta al
AMPc CRE Elemento de respuesta al AMPc VIP
Péptido vasointestinal GRP Péptido liberador de
gastrina C CLOCK B BMAL Rev-Erbalfa
Proteína ROR Receptor orphanrelacionado con RAR.
68
b) Laminilla intergeniculada lateral via fótica
y no fótica
c) Núcleos del Rafe información no fótica.
Neurotransmisor ? Serotonina
d) Otras diferentes áreas hipotalámicas,
talámicas y mesencefálicas
69
Salida de información desde el reloj del NSQ
70
Light entrained oscillator (LEO) vs Feeding
entrained oscillator (FEO)
Alimento (restricción)
Tras SCN-X, el alimento puede ajustar ritmos de
actividad en roedores. Existe un FEO??
Alimento ad libitum
FEO Feeding Entrained Oscillator
Figure 1. Double-plotted event record of wheel
running from a rat with a complete
suprachiasmatic nucleus (SCN) lesion. Hatched
rectangles indicate time of food availability.
Triangles indicate the beginning and end of ad
libitum (AL) feeding. Note the transients in
response to a 10-h delay of mealtime, persistence
of food anticipatory activity during food
deprivation (FD), absence of a rhythm in AL, and
a prolonged free run on a 23-h T cycle (food
access was advanced by 1 h per day for 10 days).
This response is rare, and the initial failure of
entrainment after meals were again scheduled at
24-h intervals may be due to several previous
phase shifts of mealtime. Restricted feeding was
initiated 76 days prior to the beginning of the
event record shown. The source is Stephan (1992)
71
Yes, of course !

• CIRCADIAN CLOCKS (genes) IN PERIPHERAL TISSUES??
• --Clock genes are expressed in liver,
  gastrointestinal tissue,
• --Entrainment of peripheral circadian clocks
  are mostly dependent on non-photic factors
• -food availability
• -nutritional and metabolic status
• -hormonal influences
• -nervous (autonomic) afferences

Science 291 490 (2001).
72
MODELO DE ORGANIZACIÓN DEL SISTEMA CIRCADIANO
73
ORGANIZACIÓN JERÁRQUICA DEL SISTEMA CIRCADIANO
74
(No Transcript)