Lichtreize von außen, Uhren-Gene, Proteine, Hormone - gleich eine ganze Reihe von Faktoren mischt bei der Steuerung unserer inneren Zeit mit. Die meisten Einzelkomponenten der biologischen Uhr kennen die Chronobiologen inzwischen. Sie wissen, wie sie entstehen, wohin sie im Körper strömen und wie sie aussehen. Aber wie greifen diese Komponenten ineinander?

Im Gegensatz zu künstlichen Uhren rechnen biologische Zeitmesser nicht in Sekunden oder Minuten. Sie entnehmen ihre Bezugszeit nicht dem regelmäßigen Ausschlag eines Pendels oder den Oszillationen eines Quarzkristalls. Stattdessen sind es die anschwellenden und absinkenden Konzentrationen bestimmter Stoffe in den Zellen, die die Uhren zum Ticken bringen und ihre Rhythmen synchronisieren.

Den Anstoß gibt dabei vermutlich als erstes ein Lichtimpuls. Er wird wahrscheinlich von speziellen, nur für diesen Zweck eingesetzten Sinneszellen in der Netzhaut, den so genannten "intrinsischen photosensitiven Ganglienzellen", direkt an das Gehirn weitergeleitet. Dort regt dieser Impuls die Uhr-Gene der SCN-Zellen dazu an, ihre jeweiligen Proteine zu produzieren.

Rückkopplung bei Drosophila-Uhr © Podbregar

Wie genau dies funktioniert, konnten Chronobiologen bei der Fruchtfliege beobachteten. Bei dieser folgt die Konzentration der Uhrenproteine PER und TIM einem charakteristischen 24-Stunden Zyklus: Gegen Morgen beginnt die Transkription der per- und tim-Uhren-Gene, mRNA wandert aus dem Zellkern in das Zellplasma, dort läuft die Proteinproduktion an. Im Laufe des Tages steigt die Konzentration beider Stoffe im Zellplasma langsam an. Mit Beginn der Abenddämmerung verbinden sich beide Proteine miteinander und bilden eine Transportform, mit deren Hilfe sie in den Zellkern geschleust werden.

Rund vier Stunden später überschreitet die Konzentration des PER-TIM-Proteinkomplexes im Kern einen Schwellenwert und blockiert die Transkription der Uhren-Gene. Die Proteinproduktion ist abgeschaltet, die Uhren-Gene sind inaktiv. Im Laufe der Nacht zerfällt der Proteinkomplex jedoch wieder und am nächsten Morgen kann der Zyklus so von Neuem beginnen.

Damit folgt die Drosophila-Uhr dem Prinzip der negativen Rückkopplung: Das Produkt hemmt ab einer gewissen Konzentration seine eigene Produktion - und dies auch noch zeitlich gesteuert.