Циркадные ритмы это кратко
Обновлено: 04.07.2024
2. Откуда взялись циркадные ритмы?
3. Почему важно изучать циркадные ритмы?
Если бы мы знали о том, как работают циркадные ритмы, мы могли бы предсказать, как организм будет реагировать на то или иное заболевание в разное время суток. В результате мы смогли бы эффективнее и точнее лечить болезни. Простой пример: зная о том, когда лекарство будет действовать лучше всего, мы могли бы уменьшить дозировку потенциально опасного препарата без потери его эффективности.
4. Как работают циркадные ритмы?
Накапливаясь в клеточном ядре всю ночь, белок PER блокирует собственный синтез. Затем белок разрушается, и ген снова начинает работу. Весь процесс идеально ложится в 24-й суточный цикл.
А что сделал Майкл Янг? Третий лауреат Нобелевки открыл белок, позволяющий белку PER попадать из цитоплазмы (где ген образуется) в ядро клетки (где на
ходится ген, ответственный за синтез белка PER), и таким образом прекращать свой собственный синтез. Кроме того, Майкл Янг обнаружил ген, позволяющий точнее настраивать биологические часы на 24-й цикл.
5. И что теперь?
Совы — не просто люди, которые любят поспать подольше. Как и жаворонки — не те, кто встает пораньше, чтобы все успеть. На самом деле это описание разных хронотипов циркадных ритмов. Можно ли изменить свой хронотип, стоит ли пытаться из совы делать жаворонка, как быть, если цикл сна и бодрствования сбился, и на что влияют циркадные ритмы в организме — рассказывают эндокринолог и сомнолог.
Что такое циркадные ритмы
Циркадные ритмы — это циклы в организме человека продолжительностью 24 часа, которые работают в фоновом режиме и поддерживают основные функции. Это лишь одна из разновидностей биоритмов, которые сопровождают живые организмы на планете. Некоторые из них могут быть привязаны к лунным фазам, какие-то — к особенностям конкретного организма. Их цикличность может быть основана на секундах или нескольких годах. Среди прочих один из важнейших биоритмов, поддерживающих жизнь, — сердечный ритм.
Самым очевидным примером этих процессов считается цикл сна и бодрствования. Но это не единственный цикл, которому мы подчиняемся. На деле практически вся работа внутренних органов подчинена определенным циклам. Сюда входит и выброс гормонов, и изменение температуры тела в течение суток, и ускорение и замедление работы пищеварительной системы.
О существовании колебаний в природе, которые связаны со сменой дня и ночи, стали догадываться еще во времена Александра Македонского. Однако всерьез о циркадных ритмах заговорили лишь в XX веке, когда Сеймур Бензер и Рональд Конопка обнаружили, что поломка в определенном гене живого организма может нарушить эти биологические часы. Найденный ген назвали геном периода — Per. C 1984 года ученые Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг работали над изучением процессов, за счет которых функционируют циркадные ритмы. В результате они выделили еще два гена — timeless и doubletime и несколько белков, которые все вместе активируют ген Per и позволяют естественному свету запускать необходимые циклы в живых организмах. За это открытие в 2017 году им вручили Нобелевскую премию.
Николай Ильин, невролог, сомнолог Европейского медицинского центра:
Внутренняя суточная система хронометража влияет на регуляцию сна и бодрствования. Она встречается у разных видов: от прокариота до человека.
У людей, как и у всех млекопитающих, центральным регулятором системы циркадного времени является зона головного мозга — гипоталамус, а именно — его часть под названием супрахиазматическое ядро.
Система регулирует многие физиологические процессы, в том числе суточные ритмы температуры тела, выработку мелатонина, кортизола, а также изменения аппетита. Поэтому она имеет важное значение для здорового сна и оптимальной работы органов.
На что влияют циркадные ритмы
Утром и днем нам проще концентрироваться, вечером нас тянет ко сну, мы хуже видим, реакции замедляются, переваривать пищу становится сложнее. Все это вопрос не привычки, а работы наших циркадных ритмов, которые влияют не только на режим сна, но и на множество других процессов.
Сон и бодрствование
На этот цикл влияет дневной свет, который подает сигнал нашему мозгу вырабатывать необходимые для бодрствования гормоны. Вечером же, когда солнце уже зашло, наш организм вырабатывает мелатонин — гормон сна, который помогает заснуть и восстановить организм во время ночного отдыха [1].
Обмен веществ
Диетологи не рекомендуют есть вечером не столько потому, что по ночам люди меньше двигаются, а потому, что выработка ферментов и веществ, ответственных за ощущение голода и пищеварение, тоже привязана к циркадным ритмам. Проще говоря, днем печень и поджелудочная железа синтезируют вещества, регулирующие уровень глюкозы и влияющие на обмен жиров и углеводов [1].
Психическое состояние
Взаимосвязь циркадных ритмов и устойчивого ментального состояния основывается на выработке кортизола, которая происходит в первой половине дня [3]. Важнейший гормон, отвечающий за противостояние стрессу и когнитивные способности, высвобождается утром. Нарушение этого процесса может негативно влиять на работу мозга, вызывать развитие депрессии, нейродегенеративных заболеваний и деменции [4].
Иммунная система
Иммунитет — это сложный набор физиологических процессов, которые защищают организм от чужеродных элементов, таких как патогены. Как и многие системы, они подчинены циркадным ритмам, поскольку иммунные клетки вырабатываются согласно этим циклам, включая ежедневный синтез цитокинов, хемокинов и цитолитических факторов [5]. Эффективный иммунный ответ зависит от корректной работы биологических часов. Так, исследования показывают, что циркадные ритмы положительно влияют на эффективность противораковых препаратов [6].
Температура тела
Щитовидная железа и гипоталамус тоже реагируют на циркадные колебания, они незначительно меняют температуру тела человека. Наиболее низкий показатель отмечают по ночам — между 4 и 6 утра, а самая высокая температура может быть зафиксирована во второй половине дня, в районе 18 часов. Разница, на первый взгляд, незначительна — 0,5–1 градус, но необходимая для метаболических процессов, которые также основаны на циркадных ритмах.
Схема циркадных ритмов
Что происходит в организме за 24 часа и какое время для чего предназначено [6]:
6:00 — Время, на которое в среднем приходится восход солнца и начало светового дня. В этот момент организм начинает готовиться к пробуждению. Сон становится поверхностным. Высвобождается кортизол. К 6:45 поднимается артериальное давление.
8:00 — Просыпаться лучше между 7:30 и 8:30 утра, именно в это время прекращается секреция мелатонина и усиливается перистальтика кишечника.
9:00 — Своего пика достигает выработка тестостерона.
10:00 — 18:30 — Время наивысшей концентрации внимания, мозг отлично воспринимает и обрабатывает информацию, реакции быстрые, высокий тонус сердечно-сосудистых мышц.
19:00 — Увеличивается температура тела, достигает пика артериальное давление.
21:00 — Начинает вырабатываться мелатонин, организм готовится ко сну.
22:30 — Замедляется перистальтика кишечника.
2:00 — Самый глубокий сон.
4:30 — Температура тела снижается.
Что такое хронотип
Николай Ильин, невролог, сомнолог Европейского медицинского центра:
С циркадным ритмом тесно связано такое понятие, как хронотип. Это время фактического предпочтения времени сна — бодрствования или то, что большинство людей понимает, как быть жаворонком или совой. В отличие от нашего циркадного ритма, на наш конкретный хронотип не влияют никакие внешние силы (например, циклы свет — темнота), кроме генетики.
Знание своего хронотипа полезно для планирования дня с учетом окон продуктивности. Вот почему так важно работать согласно своему хронотипу, а не против него. Ученые разработали анкеты-опросники, которые могут помочь определить свой хронотип.
Примеры наиболее распространенных:
- опросник циркадного типа (CTQ);
- анкета определения утреннего и вечернего состояния (Auto-MEQ);
- мюнхенский опросник хронотипа (MCTQ);
- шкала суточного типа Ларса Торсвалла и Торбьорна Окерштедта.
В основе хронотипа лежит генетическая база, поэтому он существует на более постоянной основе. Сова может каждый день просыпаться в 7 часов утра на работу, но продуктивность у нее может появиться лишь позже, в течение дня. И наоборот: жаворонки могут просыпаться бодрыми в 7 часов утра, но уже ближе к вечеру начинают чувствовать сонливость.
Целенаправленно изменить свой хронотип очень сложно и в полной мере скорее невозможно, хотя он может меняться на протяжении всей вашей жизни.
Нарушения циркадных ритмов
Причины сбоя ритмов
- Джетлаг — причина, от которой страдал любой человек, который пересекал несколько часовых поясов за короткий срок. Чаще всего джетлаг наступает после межконтинентальных перелетов. Организму, когда он попадает в другой цикл дня и ночи, требуется время, чтобы перестроить свои биологические часы. На это может уйти несколько дней. Особенно тяжело приходится тем, чьи перелеты туда-обратно приходятся на короткий отрезок времени. Циркадным ритмам приходится меняться дважды.
- Ночные смены традиционно считаются самой тяжелой работой. В ночное время работать значительно тяжелее, ведь циркадные ритмы настроены на то, чтобы организм отдыхал. Перестроить свои циркадные ритмы в такой ситуации очень сложно: днем естественный свет будет влиять на выработку гормонов, которые стимулируют активность. При сильной усталости заснуть получится, но выспаться и полноценно отдохнуть — нет. Бессонница и другие расстройства сна негативно отражаются на разных функциях организма [8].
- Жизнь в экстремальных природных условиях может повлиять на работу циркадных ритмов. Речь идет о территориях, где устанавливается полярная ночь, полярный день или наступает период белых ночей. Такие нарушения цикла светового дня неминуемо сказываются и на биоритмах.
- Свет от экранов мониторов и мобильных. Особенно это актуально в вечерние часы и перед сном. Ученые рекомендуют отказаться от использования гаджетов, потому что свет, который они излучают, оказывает влияние на циркадные ритмы и может вызывать расстройство сна [9].
- Различные расстройства сна. Например, у слепых людей может наблюдаться цикл сна и бодрствования, который не соответствует 24 часам, поскольку незрячие не видят дневного света. При нерегулярных циркадных ритмах люди могут засыпать и просыпаться по нескольку раз в течение дня.
Последствия
К чему может привести нарушение циркадных ритмов:
- Гипертония. В течение дня циркадные ритмы запускают артериальное давление. При нарушении циклов организму приходится справляться с не вовремя повышенным давлением, что ведет к возникновению сердечно-сосудистых заболеваний.
- Резистентность к инсулину, а следовательно, и проблемы с излишним весом. Исследования показывают прямую связь между ожирением, диабетом 2-го типа и нарушениями сна.
- Зависимость от кофеина. Нередко люди с расстроенным графиком сна и бодрствования вынуждены прибегать к стимуляторам.
- Повышенный риск депрессий.
- Уязвимость к инфекциям. Иммунитет от постоянного недосыпа и бессонницы ослабевает и пропускает вредоносные патогены.
- Риск развития раковых заболеваний.
Как наладить циркадные ритмы
Если циркадные ритмы нарушены по объективной причине, например в результате джетлага или сбитого режима сна и бодрствования, есть несколько способов наладить внутренний метроном организма. Для этого необходимо соблюдать несколько довольно простых правил:
Комментарии экспертов
Это колебания биологических ритмов человека, обусловленные вращением Земли, то есть наши часы. Они позволяют организму различать режим сна и бодрствования. У каждого из нас за сутки происходят пики и падения циркадных ритмов, например перепад температуры тела, изменение частоты пульса, дыхания, цифр артериального давления.
Нарушение этих биоритмов может привести к развитию ряда патологических процессов в организме, поскольку циркадные ритмы и работа нашей гормональной системы тесно связаны между собой. Так, в режиме бодрствования организм, подобно компьютеру, настроен на переработку питательных веществ и получение энергии для активной жизни. Ночью, в режиме отдыха, происходит восстановление клеток и тканей. Правильность и синхронизация этих процессов происходит благодаря работе эндокринной системы. Выработка гормона сна — мелатонина — осуществляется в полной темноте в период с 23 до 2 часов ночи. Примерно в это же время происходит выработка гормона роста, который отвечает за жиросжигание, обновление клеток и тканей. Перед пробуждением организм начинает готовиться к активному бодрствованию, надпочечники вырабатывают гормон кортизол, повышающий артериальное давление, сосудистый тонус. Регуляция работы органов внутренней секреции осуществляется благодаря центрам регуляции, располагающимся в головном мозге.
Жизнь в мегаполисах негативно влияет на количество и качество сна. Городские жители чаще страдают от бессонницы, чем жители сельской местности. Удлинение режима бодрствования связано с использованием смартфонов, ноутбуков, просмотром телевизора, работой в ночные смены, перелетами со сменой часовых поясов. Длительное нарушение режимов сна и бодрствования может привести к развитию метаболического синдрома, нарушению менструального цикла, патологическому течению беременности, бесплодию.
Чтобы этого избежать, необходимо засыпать не позднее 23 часов, а с 21 часа начинать подготовку зоны отдыха: приглушение света, звука, ограничение синего светового спектра (отложить телефон, компьютер, выключить телевизор). Выполняя эти несложные правила в течение нескольких дней, можно быстро ощутить прилив жизненных сил, бодрости, энергии.
Николай Ильин, невролог, сомнолог Европейского медицинского центра
В отсутствие информации о времени внутренние циркадные ритмы колеблются в период чуть более 24 часов: в среднем около 24,2 часа у взрослых и 24,3 часа у подростков. Чтобы поддерживать соответствие с 24-часовым днем, циркадная система должна регулировать сдвиг фазы каждый день с помощью внешних сигналов. Самый мощный — это природный цикл свет — темнота. Важные несветовые сигналы — это режим питания, активность и социальные взаимодействия.
Когда естественный хронотип человека вступает в конфликт с требованиями его графика, это называется социальный jetlag. Люди, работающие в ночную смену, обычно испытывают трудности как со сном, так и с бодрствованием в желаемое время. Сменная работа все чаще рассматривается как фактор риска для различных неблагоприятных последствий для здоровья, включая, помимо прочего, такие риски, как рак, нарушение обмена углеводов, набор веса, сердечно-сосудистые заболевания и осложнения беременности. Однако некоторые хорошо адаптируются к циркадным изменениям в своем рабочем графике.
Как налаживать режим сна при работе в ночную смену
Те, кому не удается приспособиться к измененному режиму сна и бодрствования, обычно испытывают чрезмерную сонливость во время работы и значительное нарушение сна. Помочь можно, но нужно применять индивидуальный подход. Сначала следует сосредоточиться на улучшении дневного сна, а затем на устранении остаточных явлений, таких как сонливость или нарушение функции во время ночной смены. Безопасность всегда должна быть приоритетом.
Рекомендую придерживаться трех важных этапов:
1. Соблюдать режим сна даже в нерабочее время, чтобы обеспечить стабильность циркадного ритма.
Хотя рекомендуется непрерывный сон от семи до девяти часов, дневной сон после рабочей смены можно разделить на два периода, чтобы удовлетворить потребность в гибкости:
2. Следует изменить среду сна, уделяя особое внимание освещению. В частности, необходимо использовать плотные шторы, обеспечить прохладную температуру в спальне. Если окружающий шум невозможно устранить, установка белого шума может помочь уменьшить воздействие.
3. Короткий дневной сон перед ночной сменой или во время нее может улучшить бдительность и работоспособность. Время сна должно быть ограничено до 60 минут, чтобы свести к минимуму вероятность перехода в глубокий сон и уменьшить дезориентацию из-за инерции сна после пробуждения. Можно запланировать дневной сон до смены или в конце смены, чтобы повысить бдительность и работоспособность.
Как налаживать режим сна при джетлаге
При смене часовых поясов стратегия состоит в том, чтобы согласовать внутреннюю циркадную фазу с новым циклом света — темноты в часовом поясе назначения. Хотя эти изменения произойдут естественным образом, стратегическое использование света может ускорить этот процесс. Поездки продолжительностью всего один-два дня, как правило, слишком коротки, чтобы можно было ожидать корректировки часового пояса пункта назначения. В этой ситуации необходимо стараться соблюдать режим времени отправления, а не пытаться приспособиться ко времени назначения. Это может помочь лучше перенести смену часовых поясов. Тактика при более длительных поездках (три дня и более) зависит от направления — восток или запад.
Правильно рассчитанное по времени воздействие света может ускорить приспособление.
Если вы путешествуете на восток
За три дня до отъезда терапия ярким светом в утренние часы поможет продвинуть циркадную фазу вперед и уменьшить степень десинхронии по прибытии в новый часовой пояс. Уже на месте следует избегать яркого света утром, в особенности в день прибытия, например находиться в помещении с искусственным освещением или носить солнечные очки. Зато в полдень постарайтесь получить как можно больше света.
Если вы путешествуете на запад
Путешествие на запад требует задержки системы суточного времени, чтобы приспособиться к новому часовому поясу. Вечером стоит больше находиться на свету, чтобы отсрочить внутреннюю циркадную фазу и лечь спать позже. Если заход солнца ранний, то можно использовать световые короба или специальные очки для светотерапии.
Обзор
Научные данные указывают на то, что распорядок дня, согласованный с циркадными ритмами, — это важный аспект здоровой жизни.
Авторы
Редакторы
Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.
Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.
Клеточные часы — Нобелевская премия 2017
На модели плодовой мушки ученые показали, что существуют гены, то есть физические носители информации, имеющие влияние не просто на признак (как, например, цвет человеческих глаз или окраска цветков фасоли), а на поведение целого организма — когда ложиться спать; сколько секунд петь брачную песню. Они выделили эти гены (per, tim, dbt) и научились вносить в них изменения, тем самым влияя на поведение. Им удалось распутать полный цикл реакций, которые происходят вокруг ядра и позволяют клетке вести свой собственный внутренний отсчет времени с помощью авторегуляции белковой машины.
Таким образом, на данный момент известно, что суточные ритмы организма поддерживаются работой внутренних клеточных часов. А как же факторы среды?
Факторы среды — водители ритма
Существует связка между внутренними процессами и тем, что происходит вовне, — это водители ритма, синхронизаторы (zeitgebers). Это факторы внешней среды, которые помогают внутренним часам подстраиваться под ее изменения. Наиболее важным водителем ритма является, конечно же, свет. Также к водителям ритма относятся температура, атмосферное давление; для человека важными факторами становятся пищевые привычки, физические упражнения, прием медикаментов.
При быстрой значительной смене часовых поясов (более 4 часов) у человека может возникнуть джетлаг (физиологический синдром, который проявляется в виде бессонницы, усталости, головной боли, потери аппетита и/или расстройств ЖКТ). Причиной этого является рассогласование внутренних суточных часов человека с солнечными часами в новом для него часовом поясе. Состояние джетлага продолжается до тех пор, пока внутренние часы организма не синхронизируются с местным временем благодаря внешним водителям ритма.
И тут мы переходим к следующему направлению исследования циркадных ритмов. Его масштаб — скорее уже весь организм, нежели клетка. Эта история затрагивает смену режимов сна и бодрствования, джетлаг. И важный герой тут — мелатонин.
N.B. Интересно, что в научных публикациях эти направления практически не пересекаются: в статьях про клеточные часы обычно нет упоминаний мелатонина, и наоборот, в статьях, посвященных изучению влияния мелатонина на организм/ткани/клетки, не упоминается белковая машина клеточных часов.
Из истории мелатонина
Параллельно изучению внутренних часов клетки развивались исследования работы водителей ритма. Но здесь по-прежнему остается много вопросов по механизмам этой работы. Сама по себе история открытия мелатонина замечательна:
1917 год. МакКорд и Аллен решили посмотреть, что будет если капнуть экстракт из эпифиза быков на лягушек и головастиков [4]. Удивительно, как ученым приходят в голову такие идеи? Было обнаружено, что кожа подопытных животных мгновенно осветляется. Предположили, что некое вещество, содержащееся в эпифизе быков, приводит к тому, что меланин агрегируется вокруг клеточного ядра.
Меланины — высокомолекулярные пигменты, влияющие на цвет кожи.
1968 год. Барри Рид в Австралии изучал суточное (циркадное) изменение окраски рыбок нанностомус Бекфорда (Nannostomus anomalus Steindachner) [6]. Примечательность этой рыбки заключается в том, что на ее теле наблюдается яркая темная полоса днем, а ночью рыбка становится практически прозрачной; на теле проступают три темных овальных пятна: посередине тела, возле анального плавника и у корня хвостового плавника. Рид исследовал периодичность появления полос-пятен у нормальных и ослепленных рыбок, помещал их в условия постоянного освещения и постоянной темноты. Результаты экспериментов представлены в таблице 1. Из результатов эксперимента стало понятно, что на смену окраски скорее влияла освещенность, чем способность рыбок видеть. Изменение окраски занимало 15–30 минут.
| Рыбка | Режим освещения | Дневная полоса  | Ночные пятна  |
|---|---|---|---|
| здоровая | обычный режим день–ночь | днем — есть, ночью — нет | днем — нет, ночью — есть |
| здоровая | постоянная ночь | появляется — исчезает по 24-часовому циклу: в настоящий день — есть, в настоящую ночь — нет | присутствуют постоянно, то есть в настоящий день происходит наложение полос на пятна  |
| здоровая | постоянный день | присутствуют постоянно | никогда не появляются |
| ослепленная | обычный режим день–ночь | смена окраски полностью соответствует режиму здоровых рыбок, неотличима ни по одному из параметров | |
| ослепленная | постоянная ночь | смена окраски соответствует режиму здоровых рыбок в обычном режиме день–ночь | |
| ослепленная | постоянный день | присутствуют постоянно | никогда не появляются |
| здоровая, и ослепленная | постоянная ночь более 1–2 недель | изменения цвета стали беспорядочными и неясными | |
Далее Рид добавлял в аквариум различные соединения с целью найти вещество, которое будет приводить к появлению ночных пятен. Среди исследуемых веществ были мелатонин, серотонин, N-ацетилсеротонин, гармин и другие. Только добавление мелатонина приводило к появлению ночных пятен и исчезновению дневной полосы. Рид предположил, что именно мелатонин отвечает за циркадное появление ночного рисунка на теле нанностомуса in vivo.
В 1975 г. Линч с соавторами, исследуя мелатонин в моче 6 здоровых добровольцев, обнаружили циркадный ритм его наработки эпифизом — концентрация мелатонина значительно отличалась у разных людей, но все они демонстрировали многократное повышение концентрации мелатонина в ночные часы по сравнению с дневными значениями [7]. Видимо, мелатонин умеет не только изменять пятнышки на теле рыбки: циклы концентрации мелатонина оказались универсальны для всех известных животных, растений и грибов. Возникает вопрос: а что делает мелатонин и зачем повышается его концентрация в организме?
Как мелатонин стал вестником ночи
Мелатонин — это очень древняя молекула. Ученые предполагают, что изначальная функция мелатонина в цианобактериях и альфа-протеобактериях заключалась в том, чтобы нейтрализовать активные формы кислорода, которые образовывались в этих одноклеточных в результате их жизнедеятельности. Существует гипотеза, что ранние прокариоты поглотили цианобактерии и альфа-протеобактерии, и в результате последовавшего симбиоза превратились в хлоропласты и митохондрии, соответственно — так мелатонин проник в клетки эукариот [8–10]. У простейших одноклеточных активные формы кислорода активнее вырабатывались в дневное время. Поэтому простейшим бактериям, вероятно, днем требовалось больше мелатонина, а ночью — меньше; так возник суточный ритм мелатонина. При переходе к многоклеточности, когда большинство клеток организма оказывалось буквально погружено внутрь тела и не видело света, потребовалось сообщать всем клеткам внутри организма информацию о том, что происходит снаружи: день или ночь. И многоклеточные организмы приняли цикл мелатонина в качестве сигнальной системы для этой цели.
Рисунок 1. Схема синтеза мелатонина из серотонина в клетках эпифиза.
Соответственно, длительное чрезмерное освещение приводит к сильно сниженному уровню мелатонина, что неблагоприятно сказывается на состоянии организма. Поэтому физиологи рекомендуют спать ночью, приглушать свет, выключать мониторы/телефоны/гаджеты за час до сна, а утром выходить на яркий солнечный свет.
Рецепторы мелатонина и его рецепторонезависимые эффекты
Что известно о молекулярных механизмах действия мелатонина в организме? По крайней мере часть работы мелатонина осуществляется через его специфические рецепторы. В настоящий момент клонированы три рецептора мелатонина. Эти рецепторы относятся к семейству сопряженных с G-белком рецепторов (G-protein-coupled receptors, GPCRs), функция которых заключается в активировании внутриклеточных путей передачи сигнала. У млекопитающих обнаружены два трансмембранных рецептора — МТ1 и МТ2 (рис. 2) — их кристаллическая структура была опубликована в 2019 году в журнале Nature [15], [16].
Рисунок 2. Структура рецепторов мелатонина MT1 (синий) ) и MT2 (зеленый). Вторичная структура белков (альфа-спирали, бета-слои и петли) выделена более насыщенным цветом. Рецепторы погружены в цитоплазматическую мембрану. Мелатонин (фиолетовый) связывается с рецепторами, что приводит к передаче сигнала в клетку. Рисунок получен на основе структур 6me2 (MT1) и 6me7 (MT2) в программе UCSF Chimera.
МТ1 обнаружены в гипофизе, сетчатке, СХЯ, а чаще всего встречаются на коже человека. МТ1 модулируют активность нейронов, сужение артериальных сосудов, пролиферацию раковых клеток, репродуктивную и метаболическую функции [17], [18]. МТ2 экспрессируются в сетчатке и эпителии. Показано, что активация МТ2 ассоциирована с несколькими функциями в организме: с ингибированием высвобождения дофамина в сетчатке, с индукцией релаксации гладкой мускулатуры в стенках кровеносных сосудов, с усилением иммунного ответа. Что касается циркадных ритмов, то тут роль МТ2 заключается в сдвиге фазы циркадных ритмов возбуждения нейронов в СХЯ [17], [18]. У амфибий и птиц найден третий рецептор — МТ3, который у млекопитающих пока не обнаружен [19]. Плюс, что примечательно, существуют ядерные рецепторы мелатонина: они принадлежат к ROR/RZR подсемействам; посредством ядерных рецепторов мелатонин может влиять на иммунную и центральную нервную системы [20].
Подведем итоги
Наступила ночь, и вот в эпифизе образовался гормональный сигнал времени — мелатонин. Попробуем ответить на поставленный выше вопрос: а что делает мелатонин и зачем повышается его концентрация в организме?
Первое. Для мелатонина показана способность поддерживать и корректировать внутриклеточные циркадные ритмы: доказана эффективность приема мелатонина в уменьшении и сокращении джетлага [24]. При сбое ритма мелатонин помогает привести внутренние часы в соответствие солнечным часам. Как он это делает? Видимо, влияя на СХЯ и осуществляя обратную связь. Для механизма этой обратной связи показано, что прием мелатонина днем вызывает активацию СХЯ [25]. Значительную роль в этой активации, по-видимому, играют рецепторы мелатонина, MT1 и MT2, которые находятся на мембране клеток СХЯ. Так что тут мы видим, что мелатонин действительно является активным участником циркадных ритмов.
Второе. С наступлением ночи мелатонин, кроме переключения фазы циркадных ритмов в нервной системе, выделяется в кровь и разносится по всему организму. Мы знаем, что молекула теоретически способна проникнуть в любую клетку организма и провести там некую работу. И все эти влияния мелатонина не только убирают усталость и обеспечивают качественный сон, но и участвуют в защите от злокачественных новообразований [26]. И наоборот, сбой ритмов, видимо, провоцирует развитие онкологических и нейродегенеративных заболеваний [27], [28]. К сожалению, молекулярные механизмы этих эффектов мелатонина и циркадных ритмов в целом изучены гораздо слабее.
Одно можно сказать точно: циркадные ритмы, их водители (в том числе мелатонин) и физиологические проявления (например, сон и отдых), видимо, гораздо сильнее связаны с благополучной работой нашего тела, чем мы привыкли думать. Есть над чем поразмыслить современному человеку, пренебрегающему здоровым сном и жертвующему ночными часами ради работы или просмотра фильмов.
Что такое внутренние часы организма, и как они связаны со временем, за которое Земля делает полный оборот вокруг собственной оси.
Все живые существа имеют внутренние часы, которыми определяются периоды их активности и отдыха. Эти часы называют циркадными ритмами. Они управляют циклом физиологических и биологических процессов в организме. Циркадные ритмы подчинены примерно 24-часовому графику – времени, за которое Земля делает полный оборот вокруг собственной оси.
Как себя проявляют циркадные ритмы?
Вы наверняка замечали, что чувствуете себя более энергичными и бодрыми в одни часы и более вялыми и сонными в другие? Это связано с тем, что интенсивность физиологических механизмов колеблется в течение дня. Так, умственная активность имеет два пика – в среднем они приходятся на 9:00 утра и 21:00 вечера. В то время как физическая сила человека обычно максимальна в 11:00 утра и 19:00 вечера.
Где находятся внутренние часы?
Врач-сомнолог Михаил Агальцов ответил на вопросы читателей о том, сколько и как надо спать, чтобы оставаться бодрым.
Влияние солнечного света – пожалуй, самый очевидный сигнал. Именно цикл смены дня и ночи контролирует процесс сна и бодрствования. И именно от этого цикла зависит, насколько оптимально будут протекать многие физиологические процессы в организме. Так, недостаток сна приводит не только к снижению внимания и падению производительности труда. Он ухудшает интеллектуальные функции, повышает чувство голода, замедляет или нарушает обменные процессы в организме и даже может усиливать тягу к сладкому и жирному.
Как солнечный свет влияет на циркадные ритмы?
Когда солнце садится, и уровень освещенности падает, зрительная система посылает сигналы в супрахиазмальное ядро. Затем СХЯ посылает сигналы в шишковидную железу, стимулируя увеличение продукции гормона мелатонина. Этот гормон способствует снижению активности и заставляет человека чувствовать себя более расслабленным и сонным. И наоборот, когда в СХЯ поступает сигнал о повышении освещенности, оно стимулирует снижение выработки мелатонина – и активность организма повышается. На работу СХЯ влияет не только количество дневного света. В регулировке цикла сна и бодрствования участвуют и другие стимулы. Например, привычный звонок будильника, принятие душа или ванны и любые другие привычки: уход в спальню, переодевание ко сну, принятие горизонтального положения.
Рассветы и закаты
Однако для точной настройки цикла сна и бодрствования требуется воздействие солнечного света. Именно поэтому ученые считают, что ранний подъем и отход ко сну сразу после заката позволяет лучше всего настраивать биологические часы. Кстати, поздний рассвет и невозможность лечь с закатом зимой нередко приводят к тому, что в холодное время года люди чувствуют себя вялыми и заторможенными. Их биологические часы не могут настроиться на нормальный 24-часовой цикл. Такое же падение активности, снижение настроения и ощущение потери сил испытывают люди, которые вынуждены жить в условиях полярной ночи или продолжительного периода пасмурной погоды.
Что нарушает работу внутренних часов?
Некоторые процессы могут сбить СХЯ с толку. Вот что способно нарушить цикл сна и бодрствования: Джетлаг. Пересечение часовых поясов во время путешествия сбивает с толку внутренние часы организма. Ваше тело ориентируется на время того часового пояса, откуда вы уехали. Ведь СХЯ может отрегулировать биологические ритмы со сдвигом не более одного часа в день. Ночная смена. Люди, работающие по ночам, вынуждены грубо ломать естественный суточный ритм своего организма. Полная подмена цикла сна и бодрствования друг другом приводит к повышению риска несчастных случаев на рабочем месте и ошибок в работе.
Бессонница может нарушить работу внутренних часов организма. Прочтите о том, как спастись от бессонницы.
Самое важное
Биологический ритм человеческого организма подчинен 24-часовому графику. Самый важный процесс в этом графике – смена сна и бодрствования. Он автоматически регулируется определенными структурами в головном мозге, которые реагируют на смену интенсивности солнечного света. Фото: JSmith Photo
Читайте также: