מדעני מכון ויצמן למדע בדקו את שליטת השעון הביולוגי על תהליכי חילוף חומרים במיטוכונדריה. תוצאות מחקריהם עשויות אולי, בעתיד, לסייע בפיתוח דיאטות השמנה והרזיה אשר יתבססו על שעות האכילה, ולא על כמות המזון שאוכל אדם, ובכך לסייע גם לאוכלוסיות הסובלות ממחסור במזון, וגם לאלו הסובלות מצריכה עודפת של מזון.
המדענים, בראשות ד"ר גד אשר מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכון, בוחנים את יחסי הגומלין בין שעונים אלה ("שעונים צירקאדיים") לבין תהליכי חילוף חומרים בגופנו. תוצאות מחקר שביצעה ד"ר עדי נויפלד-כהן, מקבוצתו של ד"ר אשר, בשיתוף עם ד"ר מריה רובלס ופרופ' מתיאס מאן ממכון מקס פלאנק לביוכימיה בגרמניה, פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה למדעים של ארה"ב" (PNAS).
"הסביבה בכדור-הארץ, שבו יש יממה בת 24 שעות, גרמה, באמצעות האבולוציה, להתפתחות שעונים ביולוגיים", אומר ד"ר אשר. "שעונים אלה, המצויים בחיידקים, בזבובים, בבני-אדם ועוד, מודדים זמן גם ללא גירוי חיצוני. הם ממלאים תפקיד מרכזי בבקרה על מקצבים של שינה, פעילות, אכילה, חילוף חומרים, במחזור של כ-24 שעות. במובן מסוים, זהו מעֵין יומן שאומר לגופנו מה צפוי, כך שהגוף יכול להתכונן לבאות ולפעול באופן מיטבי".
השעונים הביולוגיים מבקרים את רוב תהליכי חילוף החומרים בגוף. כמעט לכולם יש מחזוריות בת 24 שעות: כך המצב במישור הפיסיולוגי באורגניזם השלם (לחץ הדם, רמות הסוכר, ורמות ההורמונים), וכך גם במישור המולקולרי (אנזימים ומסלולי חילוף חומרים שיש להם שיא אחד ביממה). משום כך, שיבוש השעון הביולוגי גורם פגיעה במספר תהליכים ביולוגיים. כך, למשל, עכברים שקיימת פגיעה גנטית בשעון הביולוגי שלהם, וכן אנשים אשר עובדים במשמרות המשבשות את השעון הצירקדי שלהם, לוקים בהשמנה, בסוכרת, ובתסמונת המטבולית.
באיזו שעה עיבוד השומן במיטבו?
המדענים בחנו את מנגנוני הבקרה שבאמצעותם משפיע השעון הביולוגי על חילוף החומרים בתא, ועל תפוקת האנרגיה שלו וצריכתה. "תחנת האנרגיה" של התא פועלת באברון תוך-תאי זעיר, הקרוי מיטוכונדריון (וברבים, מיטוכונדריה). המדענים בדקו אם במשך היממה מצטברים במיטוכונדריה, במחזוריות, חלבונים מסוימים החיוניים לתפקודה, ומשפיעים על תפוקת האנרגיה שלה. הם גילו, שכ-40% מהחלבונים המיטוכונדריים, מבין מאות חלבונים שזוהו וכומתו, מצטברים באופן צירקאדי; כלומר, במהלך יממה חל שיא אחד בכמוּתם, ותהליך זה מבוקר ברובו באמצעות השעון הצירקאדי. למרבה ההפתעה, רוב החלבונים הצירקאדיים במיטוכונדיה הצטברו בתוך ארבע שעות אחרי תחילת מחזור האור של היממה (הניסוי בוצע בעכברים אשר פעילים בלילה וישנים ביום).
רבים מחלבונים צירקאדיים אלה הם למעשה אנזימים חיוניים אשר קובעים את קצב הפעילות של המיטוכונדריה. למשל, אנזים מרכזי אשר קובע את קצב השימוש בסוכרים לייצור האנרגיה מצטבר בשעה 4:00, כך שסביר שבשעה זו תהיה יכולת ניצול הסוכרים במיטוכונדריה בשיאה. לכן, המדענים סיפקו למיטוכונדריה סוכר, וגילו שאכן, בסביבות השעה 4:00 היה תהליך הנשימה וניצול הסוכר לייצור אנרגיה בשיאו, בהשוואה לרמתו בשאר שעות היום. לעומת זאת, החלבון האחראי לקצב כניסת חומצות שומן למיטוכונדריה הצטבר בשעה 18:00, ובדיקת ניצול חומצת השומן הראתה שבאותה שעה אכן היה עיבוד השומן מיטבי. בעכברים עם מוטציה גנטית אשר פוגעת בשעון הביולוגי שלהם לא היה הבדל בין כמות החלבונים הללו במהלך היממה, ובהתאמה, פעילות הפירוק של השומנים והסוכרים הייתה קבועה לאורך היום.
ממצאים אלה מחזקים את התפיסה, שהשעון הביולוגי מבקר את השינויים בשיעור הייצור והפירוק של חומרים מסוימים בגוף, וכי הוא מבקר תהליכים במיטוכונדריה הן באמצעות השפעה ישירה עליה, והן באמצעות השפעה עקיפה על החומרים המגיעים אליה, למשל, באמצעות השפעה על שעות האכילה של האורגניזם.
ממצאים אלה עשויים לסייע לנו ללמוד כיצד לשלוט במידת היעילות של ניצול חומרי מזון מסוימים, הן בעת מחסור בו והן כאשר קיים עודף שלו. "בעבר הראינו שאם עכברים אוכלים רק בלילה, בשעות הפעילות שלהם, ולא כשהם רוצים, הם יאכלו את אותה כמות קלוריות, אבל רמות השומנים בכבד שלהם יהיו נמוכות ב-50%", אומר ד"ר אשר. "כלומר, התוצאה תלויה לא רק במה שאוכלים, אלא גם בשעת האכילה. אם נדע לתכנן נכון את הזמנים הנכונים לפעילות הגוף, אולי נוכל לנצל את חומרי המזון השונים בדרך נכונה ובריאה יותר".
