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Prinzip Rückkopplung

Wie tickt die innere Uhr?

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?

Stoffkonzentrationen – Das Pendel der Natur

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.

Beispiel Fruchtfliege

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.

Rückkopplung bei Drosophila-Uhr © Podbregar

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.

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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.

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Stand: 27.03.2002

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Die innere Uhr
Was lässt uns ticken?

Alles schwingt...
Biologische Rhythmen in der Natur

Warum gibt es biologische Uhren?
Anpassung an eine sich drehende Welt...

Das Rätsel des Heliotrops...
Woher weiß die Pflanze, wo die Sonne steht?

Stabil aber verstellbar...
Welche Eigenschaften hat die innere Uhr?

Wo sitzt die Uhr?
Fische und Vögel geben erste Indizien

Die innere Uhr bei Säugetieren
10.000 Zellen auf einem Stecknadelkopf...

Wie viele Uhren haben wir?
Die Uhr tickt in der Petrischale...

Was lässt uns ticken?
Den Uhren-Genen auf der Spur

Prinzip Rückkopplung
Wie tickt die innere Uhr?

Licht als Zeitgeber
Ein Komplex ist der Schlüssel...

Haupt- und Nebenuhren
Das Problem der Synchronisation

Wenn Schäfchenzählen nichts mehr hilft...
Dem Rätsel des Schlaf-Wach-Rhythmus auf der Spur

Schichtarbeit und Jetlag
Wie überliste ich die innere Uhr?

Lerchen und Eulen
Welcher "Chronotyp" sind Sie?

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