Механизм циркадных ритмов: что это и как наладить, чтобы высыпаться |

Содержание

что это и как наладить, чтобы высыпаться

Нами управляют циркадные ритмы. Эти биологические часы влияют на то, как мы спим, расходуем энергию и перевариваем пищу. Разбираемся, как с ними подружиться.

Наш режим сна и график активности да и самочувствие в целом подчиняются суточным циклам. Поэтому иногда, что бы мы ни делали, бывает сложно собраться на работе после обеда или заставить себя пойти на тренировку утром. В этой статье разберемся, как подружиться со своими биологическими часами, чтобы использовать их себе на пользу.

Это первая из серии статей про режим сна и самочувствие. В них проверенная информация и простые рекомендации, которые помогут вам чувствовать себя лучше, не меняя образ жизни кардинально.

Содержание

1. Что такое циркадные ритмы
2. Как работают наши внутренние часы
3. Как циркадные ритмы влияют на наше здоровье
4. Почему опасно нарушать циркадные ритмы
5. Как завести свои внутренние часы заново
6. На заметку

Что такое циркадные ритмы

Циркадные ритмы — это биологические часы человека. Они задают ритм всем жизненно важным процессам в организме. Работа биологических часов определяется генами, которые запускают и останавливают метаболические процессы, например запасание энергии или выделение гормонов.

24 часа

столько в среднем длится один цикл биологических часов

Около 20% всех наших генов «включаются» и «выключаются» во время одного полного цикла.

Главный механизм биологических часов — это супрахиазматическое ядро (СХЯ) гипоталамуса. Этот отдел мозга отвечает за реакцию на стресс, половое поведение, координацию действий и другие важные функции. Это ядро получает информацию от светочувствительных клеток сетчатки глаз и других рецепторов и на ее основе синхронизирует работу биоритмов.

Примерно так биологические процессы сменяют друг друга в течение дня

Также супрахиазматическое ядро сообщает эпифизу и эндокринной железе, когда пора вырабатывать гормон сна мелатонин. Концентрация мелатонина возрастает вечером, достигает пика ночью и снижается днем.

А с другим важным гормоном, кортизолом, обратная история. Его концентрация повышается к утру, когда нам нужно быть бодрыми, и снижается к вечеру, когда нас начинает клонить в сон.

Как работают наши внутренние часы

Гены, отвечающие за работу внутренних часов, называются period и timeless. Их активность колеблется в течение дня и регулируется петлевым механизмом обратной связи. Как только уровень белков, кодируемых этими генами, достигает определенного уровня, синтез этих белков прекращается. Уровень падает — синтез возобновляется.

На сон и бодрствование влияет свет

Свет и его отсутствие — главные, хотя и не единственные, регуляторы циркадных ритмов. Холодный синий свет от офисных ламп, экранов компьютеров, телевизоров и смартфонов сбивает эти ритмы. В итоге организм «думает», что световой день в разгаре. Красный и зеленый свет тоже негативно влияют на ход внутренних часов.

Циркадные ритмы «включаются» и «выключаются» светом. Яркий искусственный свет запускает каскады химических реакций и сбивает правильный режим дня.

Циркадные ритмы у человека — это не отдельный орган, их нельзя увидеть или почувствовать. Но они необходимы для здоровья и нормальной жизнедеятельности — и сохраняются даже у многих слепых людей.

Если смотреть по ночам сериалы, поздно и плотно ужинать, работать в ночную смену и ложиться спать с рассветом, слаженная работа генов и циркадных ритмов нарушается. Какие-то метаболические процессы запускаются позже обычного, а какие-то останавливаются совсем.

Как циркадные ритмы влияют на наше здоровье

Ночные смены могут повышать риск рака — при сбитых циркадных ритмах организму сложнее предотвращать образование опухолей. Международное агентство по изучению рака даже отнесло сменную работу к канцерогенам. Работа с постоянным ночным графиком, а не скачущим режимом, в этом плане может быть менее опасной.

Ученые связывают нарушения циркадных ритмов с серьезными, но предотвратимыми заболеваниями: диабетом 2-го типа, болезнями сердечно-сосудистой системы, ожирением, инсультом и раком. Чтобы понять, как развиваются эти болезни, нужно взглянуть на то, что происходит, когда мы нарушаем гигиену сна.

Как циркадные ритмы влияют на пищеварение

Желудочно-кишечный тракт вырабатывает наибольшее количество ферментов, желудочного сока и сопутствующих веществ в первой половине дня. Поэтому желательно завтракать плотно, но ужинать чем-то легким.

Также с утра наиболее активно работает перистальтика. Если плотно есть на ночь и поздно просыпаться, возрастает риск запоров, колик, вздутия и несварения, потому что процессы переваривания замедляются.

Как циркадные ритмы влияют на головной мозг

Здоровый сон — это время, когда мозг буквально промывается и очищается с помощью спинномозговой жидкости или ликвора. Эта жидкость выводит продукты обмена, в том числе токсичные соединения, которые ухудшают функции памяти. Также во сне активно восстанавливаются миелиновые оболочки — они нужны для передачи сигналов между нейронами.

Нарушение фаз сна прерывает эти важные процессы. В результате мы просыпаемся уставшими, вялыми и не готовыми к серьезной интеллектуальной работе. Если постоянно игнорировать свои биологические ритмы, это может привести к нервно-психическим расстройствам.

Как циркадные ритмы влияют на риск заболеваний

Бессонница, недосып и плохое качество сна ведут к гипертонии и развитию резистентности к инсулину, из-за чего повышается уровень глюкозы в крови. Эти симптомы, сигнализируют о нарушениях метаболизма и болезнях сердечно-сосудистой системы.

Исследования показывают, что люди, работающие в ночную смену, чаще страдают от ожирения, диабета 2-го типа и гипертонии.

Риск развития этих заболеваний возрастает и у людей с нарушенными циркадными ритмами.

Почему опасно нарушать циркадные ритмы

Низкое качество сна приносит и другие, менее очевидные проблемы. Невыспавшийся человек легко набирает вес и с трудом сбрасывает его. Ему чаще хочется сладкого и фастфуда, чем здоровой пищи, потому что организм пытается компенсировать недостаток энергии тягой к простым углеводам.

Также при нарушении биоритмов становится сложнее заснуть и проснуться, развивается зависимость от кофеина. Спать хочется как можно дольше, но сон перестает восполнять силы. Повышается риск депрессии, возникают перепады настроения в течение дня и всплески негативных эмоций. А организм становится более уязвимым к болезням и инфекциям.

Как завести свои внутренние часы заново

Хорошая новость: сломанные биологические часы можно отремонтировать. Вместе с правильным распорядком дня к вам вернутся продуктивность и здоровый сон. Восстановление циркадных ритмов и режима дня не означает, что нужно ложиться спать сразу после заката, особенно если вы «сова». Главное — избегать искусственного света и засыпать в промежутке времени, когда вырабатывается мелатонин, то есть с 12 до 4 ночи.

Облегчить засыпание поможет отказ от гаджетов за час-два до сна. Также вечером стоит включать лампы с теплым приглушенным светом вместо ярких ламп дневного света. Чтобы восстановить режим сна, нужно ложиться каждый день примерно в одно и то же время, даже если это выходной.

На заметку

Если вы часто чувствуете усталость и рассеянность в течение дня и плохо спите, возможно вы сбили свои биологические часы. Вот что поможет привести все в норму:

Если очень нужно проверить перед сном соцсети или посмотреть кино с планшета, включите ночной режим — с ним подсветка становится желтоватой и менее яркой.
Перед сном переключайтесь с визуального контента на аудио: слушайте подкасты и аудиокниги.
Откажитесь от алкоголя поздним вечером — он ухудшает качество сна.
Ложитесь спать слегка голодными.
Купите плотные, блокирующие свет шторы и открывайте их сразу же при пробуждении.
Во второй половине дня выбирайте напитки без кофеина.
Используйте беруши и маску для сна, если посторонние шумы и свет с улицы прерывают ваш сон.

Генетика тоже может влиять на паттерны сна: например, бессонница может передаваться по наследству. Выявить генетическую предрасположенность к бессоннице и особенности метаболизма кофеина можно с помощью Генетического теста Атлас.

Sachin Panda, The Circadian Code
Koch C.E. et al., Interaction between Circadian Rhythm and Stress 2017
S. Panda et al., Coordinated Transcription of Key Pathways in the Mouse by the Circadian Clock
Blue light has a dark side
Circadian rhythms fact sheet
Thomas C. Erren et al., Shift Work and Cancer 2010
Bennett J.E. et al. (2018). NCD Countdown 2030: worldwide trends in non-communicable disease mortality and progress towards Sustainable Development Goal target 3.4
NHS Prevalence, Achievements and Exceptions workbooks 2016
The role of sleep and wakefulness in myelin plasticity
Night shift work, short sleep and obesity

Открытие молекулярных механизмов работы циркадного ритма

: 31 Дек 2017 , « …Я хочу иметь свободу в исследовании, иначе я буду связан в своем творчестве» , том 76,
№5/6

Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2017 г. получили американские исследователи Майкл Янг, Джеффри Холл и Майкл Росбаш – за многолетние исследования генетических основ циркадных ритмов («биологических часов»). Янг работает в Нью-Йоркском университете Рокфеллера, а Холл и Росбаш – в Брандейском университете в Массачусетсе

Нобелевская премия в области физиологии и медицины в 2017 г. присуждена за открытие генов, определяющих работу биологических часов – внутриклеточного механизма, который управляет циклическими колебаниями интенсивности различных биологических процессов, связанных со сменой дня и ночи. Суточные или околосуточные (циркадные) ритмы присутствуют во всех живых организмах от цианобактерий до высших животных.

Нужно понимать, что любое достижение, которое награждается таким почетным титулом, опирается на исследования предшественников. Впервые представление о биологических часах возникло еще в XVII в., когда французский астроном Жан Жак де Меран обнаружил, что у растений суточный ритм движения листьев происходит даже в темноте, он «запрограммирован» в самом растении, а не обусловлен окружающей средой. С этого момента началась работа по изучению феномена. Было установлено, что практически все живые организмы способны формировать циклические процессы с суточным или околосуточным периодом. Оказалось, что при отсутствии главного внешнего фактора синхронизации – смены дня и ночи – организмы продолжают жить суточным ритмом, хотя период этого ритма в зависимости от индивидуальных особенностей становится немного короче или длиннее суток.

Генетическая основа биологических часов была впервые установлена в 1970-х гг., когда у плодовой мушки Drozophila melanogaster был открыт ген Per (от слова period). Это сделали Сеймур Бензер и его ученик Рональд Конопка из Калифорнийского технологического института. Они провели масштабный эксперимент, работая с сотнями линий мух и получая новые линии с помощью химического мутагенеза. Ученые заметили, что при одинаковом периоде освещения у некоторых мух период суточного ритма сна и бодрствования становился либо существенно меньше обычных суток (19 ч), либо больше (28 ч), а также появилась группа «аритмиков», у которых наблюдался полностью асинхронный цикл. Пытаясь понять, можно ли идентифицировать гены, которые контролируют циркадный ритм у дрозофил, ученые продемонстрировали, что циркадные ритмы мух нарушают мутации неизвестного гена или группы генов.

Таким образом, будущие лауреаты Нобелевской премии Холл, Росбаш и Янг уже имели в своем распоряжении линии мух с генетически обусловленными изменениями периода сна и бодрствования. В 1984 г. они выделили и секвенировали ген Per и выяснили, что уровень кодируемого им белка меняется с суточной периодичностью, достигая пика в ночное время и снижаясь днем.

Позднее у млекопитающих было открыто целое семейство генов циркадных ритмов: Bmal1, Clock, Cry1—2, Per1—3, механизм работы которых также подчиняется принципу обратной связи. Белки BMAL1 и CLOCK активируют гены Per и Cry, в результате чего синтезируются белки PER и CRY. Когда их становится много, они начинают угнетать активность BMAL1 и CLOCK, тем самым подавляя свой синтез. Когда количество PER и CRY снижается до определенного уровня, вновь активируются BMAL1 и CLOCK – и так далее

Удостоенное Нобелевской премии открытие дало новый толчок к тому, чтобы пытаться понять, почему механизмы циркадных ритмов работают так, а не иначе, почему период различается межиндивидуально и устойчив к внешним факторам, таким как температура (Pittendrich, 1960). Например, работы, выполненные на цианобактериях, показали, что с повышением температуры на 10 °C водоросли сохраняют циклические процессы, и их период изменяется всего на 10—15 %, тогда как по законам химической кинетики должен измениться в два раза. Последнее стало настоящим вызовом, поскольку все биохимические реакции должны подчиняться законам химической кинетики.

Сейчас ученые сошлись во мнении, что период устойчив потому, что суточный цикл определяется не одним геном и продуцируемым им белком. В 1994 г. Янг открыл у дрозофилы ген Tim, кодирующий белок, участвующий в управлении уровнем белка PER по принципу обратной связи. При повышении температуры возрастает как наработка белков, участвующих в формировании циркадного цикла, так и наработка других белков, которые ее тормозят, а работа биологических часов не сбивается.

Сейчас известны базовые механизмы циркадных ритмов, но множество деталей остаются непонятными. Например, как в одном организме одновременно сосуществуют несколько «часов», как реализуется несколько процессов, идущих с разным периодом? Когда проводились эксперименты, во время которых люди жили в помещениях или в пещере без информации о времени дня и ночи, их температура тела, секреция стероидных гормонов и т. п. имели период около 25 ч. При этом периоды сна и бодрствования, хотя в среднем также держались около суточного, у некоторых варьировались от 15 до 60 ч (Wever, 1975).

Изучение циркадных ритмов важно и для понимания функционирования организма в экстремальных условиях, например в Арктике, когда во время полярного дня и ночи исчезают естественные факторы синхронизации суточных ритмов. Существуют убедительные данные о том, что при долгом пребывании в такой среде у человека происходят существенные изменения суточных ритмов целого ряда функций организма (Мошкин, 1984). Сейчас становится понятно, что это один из факторов, который влияет на здоровье человека, и когда известна молекулярная основа циркадных ритмов, можно анализировать, какие варианты генов более или менее благоприятны для работы в полярных условиях.

Циркадные ритмы влияют на обменные процессы, работу иммунной системы и процесс воспаления, на кровяное давление, температуру тела, функции мозга и многое другое. От времени суток зависят эффективность некоторых лекарств и их побочные эффекты. При вынужденном несоответствии внутренних часов и внешних, например, в результате широтного перелета или работы в ночную смену, могут наблюдаться разнообразные дисфункции организма: расстройства желудочно-кишечного тракта и сердечно-сосудистой системы, депрессии, повышается риск развития онкологических заболеваний.

Литература

Мошкин М. П. Влияние естественного светового режима на биоритмы полярников // Физиология человека. 1984. Т. 10. № 1. С. 126—129.

Pittendrigh C. S. Circadian rhythms and the circadian organization of living systems // Cold Spring Harb Symp Quant Biol. 1960. V. 25. P. 159—184.

Wever R. The circadian multi-oscillator system of man // Int J Chronobiol. 1975. V. 3. N. 1. P. 19—55.

: 31 Дек 2017 , « …Я хочу иметь свободу в исследовании, иначе я буду связан в своем творчестве» , том 76,
№5/6

Физиология, Циркадный ритм – StatPearls

Суджана Редди; Вамси Редди; Сандип Шарма.

Информация об авторе

Последнее обновление: 8 мая 2022 г.

Введение

Регуляция сна осуществляется гомеостатической физиологией циркадного ритма, цикла сна/бодрствования. Циркадный ритм — это 24-часовые внутренние часы нашего мозга, которые регулируют циклы бдительности и сонливости, реагируя на изменения света в окружающей среде. Наша физиология и поведение формируются вращением Земли вокруг своей оси. Эта биологическая циркадная система развилась, чтобы помочь людям адаптироваться к изменениям в окружающей среде и предвидеть изменения в радиации, температуре и доступности пищи. Без этих эндогенных циркадных часов Homo sapiens не сможет оптимизировать расход энергии и внутреннюю физиологию организма.

Вопросы, вызывающие озабоченность

Сон — это жизненно важная деятельность, необходимая каждому организму для нормального функционирования. Недостаток сна или плохой режим сна могут оказать существенное влияние на различные важные повседневные функции. Укрепление памяти, оздоровление организма и регуляция метаболизма происходят во время цикла сна. Этот цикл сна и бодрствования может влиять на пищевые привычки, пищеварение, температуру тела, выброс гормонов и другие функции организма. Пагубное воздействие на сон может негативно сказаться на способности человека нормально функционировать и привести ко многим расстройствам. Различные хронические заболевания, связанные с нерегулярным ритмом, включают диабет, ожирение, депрессию, биполярное расстройство, сезонное аффективное расстройство и другие нарушения сна.

Клеточный

Изучение взаимосвязи между циркадными ритмами в организме человека и его клеточной биологией необходимо для понимания физиологии и патологии, лежащих в основе болезней. Нарушения возраста, окружающей среды или генетическая мутация могут оказывать неблагоприятное воздействие на клеточную функцию и здоровье организма. Циркадный ритм использует положительные и отрицательные петли молекулярной обратной связи в качестве механизма для регуляции их экспрессии. Есть несколько идентифицированных часовых генов, BMAL1 / BMAL2 , ЧАСЫ , CRY1 / CRY2 и PER1 / PER2 / PER2 регулируют транскрипцию и транскрипцию и контролируют транскрипцию / PER2. Экспрессия этих основных часовых генов внутри клетки влияет на многие сигнальные пути, что позволяет клеткам определять время суток и выполнять соответствующие функции. Кроме того, фосфорилирование белков основных часов приводит к деградации, чтобы поддерживать синхронизацию 24-часового цикла. Наличие циркадных ритмов в клетках с ядрами и без них указывает на то, что молекулярные часы автономны и для регуляции могут использоваться внешние сигналы.[1]

Развитие

Развитие циркадной системы происходит у млекопитающих постнатально. Плод не подвергается внешним раздражителям в утробе матери, поэтому новорожденные рождаются с незрелой функционирующей системой. Установление 24-часовых циркадных ритмов происходит в течение первых 4 месяцев жизни, когда новорожденный испытывает быстрые физиологические изменения и адаптируется к окружающей среде. Поскольку центральная температура тела является одной из наиболее жестко регулируемых систем, отклонения, среди прочего, свидетельствуют об установлении циркадного ритма. Минимальные отклонения возникают в утробе матери, но уже в первые недели жизни начинаются восприятия разницы дня и ночи. Всплески внутренней температуры тела также начинают проявляться непосредственно перед началом сна и в первые несколько часов. Мелатонин, имеющий решающее значение для постоянного установления циркадных ритмов, появляется примерно в возрасте 3 месяцев. Выработка кортизола, ключевого показателя правильно функционирующего циркадного ритма, может происходить уже в возрасте от 8 до 9 недель.месячного возраста. Поскольку у младенцев происходят быстрые физиологические изменения сразу после рождения, отклонения внутренней температуры тела, а также выработка мелатонина и кортизола позволяют младенцу установить стабильный циркадный ритм.[2]

Вовлеченные системы органов

Нарушение циркадного ритма может иметь серьезные последствия для здоровья многих систем органов, включая иммунную, репродуктивную, желудочно-кишечную, скелетную, эндокринную, почечную и сердечно-сосудистую системы. Центральные часы, или супрахиазматическое ядро (СХЯ), не являются единственным внутренним механизмом контроля, так как недавние открытия выявили наличие вторичных или периферических осцилляторов по всему телу в ряде органов, таких как сердце, печень, почки, легкие, кишечник, кожа, лимфоциты, пищевод, селезенка, тимус, надпочечники, предстательная железа и обонятельная луковица. Хотя эти вторичные часы независимы, они все же синхронизированы с SCN и другими факторами, такими как температура, время приема пищи, а также внешние сигналы.

Функция

Цикл сна/бодрствования необходим для пополнения и исцеления организма, чтобы он мог нормально функционировать. Правильный сон позволяет телу участвовать в циркадных ритмах в организме, что инициирует накопление запасов энергии для метаболических процессов, ремоделирование нейронов для синаптической функции, консолидацию памяти и ассимиляцию сложных двигательных систем. Центральная нервная система (ЦНС) играет решающую роль во время цикла сна. В результате активации циркадной системы ретикулярная активирующая система (РАС) в стволе головного мозга не может вызывать сон. Регуляция сна отличается балансом между внутренним гомеостазом сна (процесс S) и внешним циркадным ритмом (процесс C) [3].

Механизм

Циркадный водитель ритма – это супрахиазматическое ядро (СХЯ) гипоталамуса. Когда тело переходит от светлого к темному, тело посылает сигналы в ретино-гипоталамический путь шишковидной железы. Во время светового цикла аксоны ганглиозных клеток сетчатки передают сигналы, которые активируют супрахиазматическое ядро через черепной нерв II, зрительный нерв. Затем СХЯ передает сигнал через тормозной нейротрансмиттер ГАМК (гамма-аминомасляная кислота), который ингибирует паравентрикулярное ядро. Аксоны впоследствии посылают импульсы через промежуточный латеральный столб, чтобы ингибировать верхний шейный ганглий, тем самым подавляя симпатическую нервную систему. В результате мелатонин не высвобождается из шишковидной железы в кровоток. По мере приближения ночи исчезновение света сигнализирует ганглиозным клеткам сетчатки о необходимости ингибировать супрахиазматическое ядро, активируя паравентрикулярное ядро, которое затем посылает аксоны через промежуточное латеральное ядро (IML) в верхний шейный ганглий, стимулируя симпатическую нервную систему, что вызывает сонливость. Шишковидная железа мобилизуется для выделения мелатонина в кровоток.[4]

Связанное тестирование

Наилучший метод измерения циркадного ритма включает мониторинг внутренней температуры тела и уровня мелатонина в слюне/плазме. Оценочная шкала, опросник утреннего и вечернего времени (MEQ), также может использоваться для оценки циркадного паттерна. Неинвазивный, но менее распространенный метод мониторинга, актиметрия, исследует цикл активности/отдыха человека. Другие долгосрочные исследования включают использование полисомнографии и ЭЭГ.

Патофизиология

Индивидуальные сигналы окружающей среды, также известные как zeitgebers, управляют эндогенным процессом циркадного ритма. Взаимосвязь между физиологическими и поведенческими сигналами (время сна, приемов пищи, работы/социальных взаимодействий) влияет на время цикла сна-бодрствования. Нарушения в цикле сна человека могут оказать значительное пагубное влияние на его общее состояние здоровья. Неритмичная регуляция внутренней температуры тела, уровня кортизола и секреции мелатонина — все это признаки нарушений. Поскольку колебания температуры тела происходят систематически во время цикла сна/бодрствования, отклонения от этого цикла могут свидетельствовать о начале заболевания или о пагубном присутствии какого-то внешнего фактора. Под контролем СХЯ через паравентрикулярное ядро гипоталамуса секреция кортизола ритмична, поэтому перепроизводство кортизола может подавлять способность вызывать сон. Точно так же недостаточное производство мелатонина может негативно повлиять на способность заснуть.[5]

Клиническое значение

Нарушения сна, связанные с циркадным ритмом, часто игнорируются и могут оказывать пагубное воздействие на организм человека. Нарушения циркадного ритма сна обычно проявляются как несоответствие между графиком сна человека и физическим/социальным 24-часовым циклом окружающей среды. Двумя наиболее распространенными нарушениями циркадных ритмов сна являются продвинутая фаза сна (раннее начало, часто встречается у пожилых людей) и отсроченная фаза сна (более позднее начало, часто встречается у подростков). Эти два диагноза часто неправильно диагностируются как бессонница или чрезмерная сонливость, но они представляют собой совершенно разные расстройства, возникающие в результате нарушения синхронизации цикла сна/бодрствования. К людям, склонным к развитию нарушений циркадного ритма сна, относятся лица, работающие в вечерние смены или имеющие ненормированный график смены, а также слепые. Слепые люди подвержены развитию этих типов расстройств из-за неспособности их тела воспринимать свет и, следовательно, устанавливать циркадные ритмы. В то время как у слепых людей есть путь в мозгу, который функционирует как их биологические часы, примерно у половины слепых людей наблюдается нарушение ритма сна-бодрствования, не связанное с 24-часовым режимом сна, во время которого их циклы сна каждую ночь удлиняются, скачут или приводят к бессоннице. просыпаться позже в тот же день.[1] Нерегулярное нарушение ритма сна-бодрствования хотя и встречается редко, но встречается у людей, страдающих неврологическими расстройствами, такими как слабоумие, умственная отсталость и повреждение головного мозга. Это расстройство характеризуется чрезмерным дневным и ночным дневным сном, отсутствием четкого режима сна, трудностями в поддержании крепкого сна, вялостью во время бодрствования и неспособностью поддерживать количество сна, необходимое для их возраста. Расстройство сменной работы возникает, когда у людей ранние утренние, ночные или чередующиеся смены, которые нарушают их нормальный 24-часовой цикл сна/бодрствования. Эти люди испытывают сильную усталость и подвергаются большему риску травм на рабочем месте и когнитивных нарушений из-за того, что спят в среднем 4 часа или меньше в сутки. При путешествии через несколько часовых поясов рассогласование внутренних часов и времени окружающей среды может привести к тому, что называется сменой часовых поясов. Искусственное освещение от компьютеров, телевизоров, мобильных телефонов и других электронных устройств также может нарушать способность организма поддерживать правильные циркадные ритмы.[6] Все больше данных демонстрируют связь между циркадными ритмами и нарушениями регуляции настроения, такими как сезонное аффективное расстройство. Симптомы, типичные для пациентов, страдающих депрессией, часто могут быть связаны с нарушением циркадных ритмов у этого человека. Лечение этих расстройств включает фармакологический подход в сочетании со светотерапией и созданием эффективного, стабильного режима сна/бодрствования. [7]

Контрольные вопросы

Доступ к бесплатным вопросам с несколькими вариантами ответов по этой теме.
Комментарий к этой статье.

Ссылки

1.: Khan S, Nabi G, Yao L, Siddique R, Sajjad W, Kumar S, Duan P, Hou H. Риски для здоровья, связанные с генетическими изменениями внутренних часов под воздействием внешних факторов . Int J Biol Sci. 2018;14(7):791-798. [Бесплатная статья PMC: PMC6001675] [PubMed: 29910689]
2.: Ривкис С.А. Развитие циркадных ритмов: от животных к человеку. Медицинская клиника сна. 2007 01 сентября; 2 (3): 331-341. [Бесплатная статья PMC: PMC2713064] [PubMed: 19623268]
3.: Potter GD, Skene DJ, Arendt J, Cade JE, Grant PJ, Hardie LJ. Циркадный ритм и нарушение сна: причины, метаболические последствия и контрмеры. Endocr Rev. 2016 Dec;37(6):584-608. [Бесплатная статья PMC: PMC5142605] [PubMed: 27763782]
4.: Басс Дж., Такахаши Дж.С. Циркадные ритмы: редокс-редукс. Природа. 2011 27 января; 469 (7331): 476-8. [Бесплатная статья PMC: PMC3760156] [PubMed: 21270881]
5.: Monk TH. Улучшение циркадных часовых поясов. Спать. 2010 апр; 33 (4): 421-2. [Бесплатная статья PMC: PMC2849779] [PubMed: 20394309]
6.: Duffy JF, Czeisler CA. Влияние света на циркадную физиологию человека. Медицинская клиника сна. 2009 г., июнь; 4 (2): 165–177. [Бесплатная статья PMC: PMC2717723] [PubMed: 20161220]
7.: McHill AW, Hull JT, Wang W, Czeisler CA, Klerman EB. Хроническое ограничение сна, даже без продолжительного (> 16 часов) бодрствования, снижает бдительность человека. Proc Natl Acad Sci U S A. 05 июня 2018 г.; 115 (23): 6070-6075. [Бесплатная статья PMC: PMC6003377] [PubMed: 29784810]

Вводная глава: Циркадные ритмы и их молекулярные механизмы

Вход в панель авторов

Что такое открытый доступ?

Открытый доступ — это инициатива, направленная на то, чтобы сделать научные исследования бесплатными для всех. На сегодняшний день наше сообщество сделало более 100 миллионов загрузок. Он основан на принципах сотрудничества, беспрепятственного открытия и, самое главное, научного прогресса. Будучи аспирантами, нам было трудно получить доступ к нужным нам исследованиям, поэтому мы решили создать новое издательство с открытым доступом, которое уравняет правила игры для ученых со всего мира. Как? Упрощая доступ к исследованиям и ставя академические потребности исследователей выше деловых интересов издателей.

Наши авторы и редакторы

Мы представляем собой сообщество из более чем 103 000 авторов и редакторов из 3 291 учреждения в 160 странах, в том числе лауреатов Нобелевской премии и самых цитируемых исследователей мира. Публикация на IntechOpen позволяет авторам получать цитирование и находить новых соавторов, а это означает, что больше людей увидят вашу работу не только из вашей собственной области исследования, но и из других смежных областей.

Оповещения о содержимом

Краткое введение в этот раздел, описывающий открытый доступ, особенно с точки зрения IntechOpen

Как это работаетУправление предпочтениями

Контакты

Хотите связаться? Свяжитесь с нашим головным офисом в Лондоне или командой по работе со СМИ здесь

Карьера

Наша команда постоянно растет, поэтому мы всегда ищем умных людей, которые хотят помочь нам изменить мир научных публикаций.

Открытый доступ

Автор:

Мохамед А. Эль-Исави

Представлено: 30 марта 2018 г. Опубликовано: 4 июля 2018 г.

DOI: 10.5772/intechopen.78756

0003 СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО

Из отредактированного тома

Под редакцией Мохамеда Ахмеда Эль-Исави

Детали книги Заказать Распечатать

Обзор показателей главы

1 171 загрузка глав

Посмотреть полные показатели

СКАЧАТЬ БЕСПЛАТНО

Рекламное объявление

1.

Введение

Циркадный ритм — это биологический процесс, который демонстрирует эндогенные и увлекаемые колебания продолжительностью около 24 часов. Эти 24-часовые ритмы регулируются суточными часами и широко проявляются у различных организмов, включая растения, грибы, животных и цианобактерии [1]. Эндогенные циркадные ритмы адаптируются к окружающей среде с помощью различных окружающих сигналов, таких как температура, свет и окислительно-восстановительные циклы. В 2017 году Джеффри С. Холл и его коллеги присудили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие молекулярных механизмов, контролирующих циркадный ритм. Циркадианная система работает в результате четырех основных компонентов: (i) светочувствительных нейронов сетчатки и ретино-гипоталамического тракта, по которым поступают световые сигналы из окружающей среды, (ii) внутреннего циркадианного осциллятора, генерирующего ритмы и синхронизирующего их с окружающей средой, (iii) сигнальных путей. передача информации от центрального регулятора к периферическим генераторам ритма и (iv) периферическим генераторам ритма (тактовые гены и белки в периферических клетках).

В 1729 году французский ученый Жан-Жак д’Орту де Меран сообщил о первом наблюдении эндогенных циркадных колебаний и обнаружил, что 24-часовые закономерности в движении листьев растений вида Mimosa pudica сохранялись, даже когда растения содержали в постоянной темноте [2, 3]. В 1896 году Патрик и Гилберт сообщили, что во время длительного периода лишения сна сонливость может увеличиваться и уменьшаться в течение примерно 24 часов [4]. Кроме того, в 1918, Дж.С. Шимански сообщил, что животные продемонстрировали свою способность поддерживать 24-часовую активность даже при отсутствии или изменении внешних факторов, таких как свет и температура. О циркадных ритмах также сообщалось во время ритмичного кормления пчел в начале двадцатого века. В 1935 г. циркадные ритмы были отмечены и у плодовой мушки Drosophila melanogaster [5, 6]. В 1954 г. Колин Питтендри сообщил, что температура играет решающую роль в ритме эклозии, а период эклозии затягивается без остановки при снижении температуры, что указывает на то, что циркадный ритм контролируется внутренними биологическими часами [6, 7]. Первый часовой мутант был идентифицирован в Drosophila и получил название «периода» ( per ) гена, который является первой обнаруженной генетической детерминантой ритмичности поведения [8]. Конопка, Джеффри Холл, Майкл Рошбаш и их команда сообщили, что на локус представляет собой центр циркадного ритма, и что потеря на локус останавливает циркадную активность [9, 10]. Группа Майкла У. Янга также продемонстрировала сходную роль на , который охватывает интервал 7,1 килобазы (т.п.н.) на Х-хромосоме и кодирует 4,5-т.п.н. поли(А) + РНК [11, 12]. Ключевые гены и нейроны в 9Также были обнаружены циркадные системы 0181 Drosophila , за которые Джеффри С. Холл и его коллеги получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2017 г. Кроме того, Джозеф Такахаши идентифицировал первую мутацию циркадных часов млекопитающих ( clock ) у мышей в 1994 г. [13]. ]. Однако недавние сообщения показали, что делеция clock не приводит к поведенческому фенотипу, что ставит под сомнение его потенциальную роль в генерации ритма [14, 15].

Реклама

2. Значение и молекулярные механизмы циркадных ритмов

Циркадные ритмы позволяют организмам лучше подготовиться и извлечь выгоду из факторов окружающей среды (например, света и пищи) по сравнению с теми, которые не могут предсказать такую доступность. Они также важны для регулирования и координации внутренних физиологических процессов [16]. Фотопериодизм, физиологическая реакция организмов на продолжительность дня или ночи, важен как для растений, так и для животных, и циркадианная система играет решающую роль в измерении продолжительности дня. Ритм связан с циклом свет-темнота. Циркадные ритмы растений сообщают растению, какое сейчас время года и когда цвести, чтобы лучше привлечь опылителей. Лучшее понимание циркадных ритмов растений имеет применение в сельском хозяйстве, например, помогает фермерам увеличить доступность урожая и защитить его от огромных потерь из-за погодных условий. Кроме того, 9Белки 0181 Bmal1 и clock накапливаются в дневное время, образуя комплекс bmal1/clock , который помогает активировать транскрипцию генов per ( per1, per2, и per3 ) и per3 (18981 cry ) cry1 и cry2 ). Белки per и cry также образуют димер per/cry , который перемещается к ядру клетки и ингибирует активность комплекса bmal1/clock , а затем приводит к снижению per/cry .0181 на экспрессию белка и cry . В ночное время комплекс per/cry уничтожается, и начинается 24-часовой цикл. Другим часовым геном, участвующим в регуляции этого цикла, является rev-erb -alpha. Комплекс bmal1/clock активирует транскрипцию такого гена, что приводит к накоплению белка reverb-alpha , который, в свою очередь, ингибирует транскрипцию гена bmal1 . В заключение в этой работе будут обсуждаться явления циркадного ритма и их молекулярные механизмы у разных организмов.

Ссылки

1. Эдгар Р.С., Грин Э.В., Чжао Ю., Ван Оойен Г., Олмедо М., Цинь Х., Сюй Ю., Пан М., Валекунджа Великобритания, Фини К.А., Мэйвуд Э.С., Гастингс М. Х., Балига Н.С., Мерроу М. , Миллар А.Дж., Джонсон Ч., Кириаку С.П., О’Нил Дж.С., Редди А.Б. Пероксиредоксины являются консервативными маркерами циркадианных ритмов. Природа. 2012;485:459-464
2. де Майран JJO. Ботаническое наблюдение. История Королевской академии наук. 1729;31:35-36
3. Гарднер М.Дж., Хаббард К.Е., Хотта С.Т., Додд А.Н., Уэбб А.А. Как растения определяют время. Биохимический журнал. 2006;397:15-24
4. Дейк Д.Дж., фон Шанц М. Синхронизация и объединение человеческого сна, бодрствования и исполнение симфонией осцилляторов. Журнал биологических ритмов. 2005;20:279-290
5. Брюс В.Г., Питтендри К.С. Эндогенные ритмы у насекомых и микроорганизмов. Американский натуралист. 1957;91:179-195
6. Питтендрай С.С. Временная организация: размышления дарвиновского наблюдателя за часами. Ежегодный обзор физиологии. 1993;55:16-54
7. Питтендри С.С. О независимости от температуры в системе часов, контролирующей время вылета у дрозофилы. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 1954;40:1018-1029
8. Konopka RJ, Benzer S. Часовые мутанты Drosophila melanogaster. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 1971;68:2112-2116
9. Reddy P, Zehring WA, Wheeler DA, Pirrotta V, Hadfield C, Hall JC, Rosbash M. Молекулярный анализ локуса Period у Drosophila melanogaster и идентификация транскрипта, участвующего в биологических ритмах. . Клетка. 1984;38:701-710
10. Zehring WA, Wheeler DA, Reddy P, Konopka RJ, Kyriacou CP, Rosbash M, Hall JC. Трансформация P-элемента ДНК локуса Period восстанавливает ритмичность мутантной, аритмичной Drosophila melanogaster. Клетка. 1984;39:369-376
11. Барджелло Т.А., Джексон Ф.Р., Янг М.В. Восстановление циркадных поведенческих ритмов путем переноса генов у дрозофилы. Природа. 1984;312:752-754
12. Bargiello TA, Young MW. Молекулярная генетика биологических часов дрозофилы. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 1984;81:2142-2146
13. Vitaterna MH, King DP, Chang AM, Kornhauser JM, Lowrey PL, McDonald JD, Dove WF, Pinto LH, Turek FW, Takahashi JS, et al. Мутагенез и картирование мышиного гена часов, необходимого для циркадного поведения. Наука. 1994;264:719-725
14. Debruyne JP, Noton E, Lambert CM, Maywood ES, Weaver DR, Reppert SM. Шок часов: часы мыши не требуются для функции циркадного осциллятора. Нейрон. 2006;50:465-477
15. Коллинз Б., Блау Дж. Отсчет времени без часов. Нейрон. 2006;50:348-350
16. Шарма В.К. Адаптивное значение циркадных часов. Международная хронобиология. 2003;20:901-919

Разделы

Информация об авторе