Druhý posel a molekulární biologické hodiny

Jednobuněčné fotoasimilující řasy a sinice mají biorytmy s periodou přibližně 24 hodin (tzv. cirkadiánní rytmy), a to jako pasivní odpovědi na střídání světla a tmy. U těchto organizmů je samozřejmě odstartována fotosyntéza vždy počátkem dne, tj. při osvětlení.

Při studiu života jednobuněčných řas, hub a prvoků byla také zjištěna přítomnost vrozených cirkadiánních rytmů. U uvedených jednobuněčných organizmů je přítomen např. cirkadiánní rytmus buněčného dělení. Zda jde o vrozený biorytmus, lze ověřit po několikadenním umístění zkoumaných organizmů do stálé tmy. Protože cirkadiánní rytmus buněčného dělení uvedených organizmů zůstává přítomen i za tmy, považujeme jej za vrozený.

Cirkadiánní rytmus dělení krásnoočka Euglena gracilis souvisí s pravidelnými změnami hladiny cyklického adenosinmonofosfátu (cAMP). Hladina cAMP stoupá dvakrát denně – ráno a večer. Ranní vzestup způsobí, že k buněčnému dělení nedojde. Večerní vzestup je naopak spojen se začátkem dělení – buňky přejdou z fáze G₂ do M (J. Cell Sci. 94, 267 – 272, 1989; 104, 1163–1173, 1993). Je nepochybné, že cAMP může být důležitou součástí biologických hodin.

Molekuly cAMP jsou ale rovněž důležitou součástí mechanizmu přenášení vnějších signálů do buňky a plní úlohu tzv. druhého posla (schéma působení druhého posla viz Vesmír 72, 277, 1993/5). Tato úloha cAMP byla prokázána u mnoha živočišných buněk a v poslední době přibývají experimentální důkazy, že tomu tak může být rovněž u rostlin (J. biol. Chem. 267, 2135 – 2137, 1992).

Proč se však hladina cAMP nadále pravidelně mění, když je krásnoočko přeneseno do trvalé tmy, a tudíž příjem světelného signálu lze vyloučit? Změnám hladiny cAMP předcházejí o dvě hodiny změny hladiny cGMP (cyklický guanosinmonofosfát). Jestliže je farmakologicky potlačena schopnost enzymu guanylátcyklázy tvořit nový cGMP, naruší se periodicita hladin cAMP (Bioch. Pharmacol. 45, 2087–2091, 1993).

Molekuly cGMP ovlivňují mj. hladinu vápníku v buňkách. Tyto vápenaté ionty také působí na cirkadiánní rytmy. Je rovněž známo, že cGMP vyvolává v buňkách řadu dalších účinků, např. změny polarizace membrán, účinkuje rovněž jako druhý posel atd. (Chronobiol. Int. 9, 163–179, 180–200, 1992). Zdá se tedy, že cGMP může působit na molekulární biologické hodiny více cestami.

Jak vidno, mechanizmus přenosu informací pomocí druhého posla byl během evoluce použit rovněž jako součást biologických hodin. Protože cAMP jakožto druhý posel je běžně rozšířen u různých organizmů, jak jednobuněčných, tak mnohobuněčných, vznikaly mechanizmy molekulárních regulací biorytmů patrně již v raných fázích vývoje života.