циркадные ритмы у человека что это такое
Биологические часы и как они работают
Многие люди нередко сталкиваются с чувством сильной усталости после многочасового перелета в другой город или дальнюю страну. Также после смены часовых поясов человека любого возраста может одолевать бессонница. Такие моменты часто являются показателями сбоя работы биологических часов. Именно этот внутренний механизм, отвечающий за большое количество настроек и функций человеческого организма, способен существенно повлиять на самочувствие, и, как следствие, на качество жизни.
Особенности биологических часов и циркадных ритмов
Научно доказано, что почти каждый орган и ткань человеческого тела содержит внутренние часы, состоящие из определенных молекул, которые взаимодействуют с клетками по всему организму. Группы сообщающихся между собой молекул напрямую оказывают влияние на уровень энергии, состояние здоровья и общее самочувствие человека. При этом биоритмы присущи всем живым материям и являют собой фундаментальный процесс в природе.
Однако существует также понятие о циркадных ритмах, которое немного различно от характеристики биологических часов. Основная разница состоит в том, что биоритмы являются повторяющимися с определенной периодичностью и интенсивностью биологическими процессами. Тогда как циркадные ритмы представляют собой физические, психические и поведенческие изменения, следующие 24-часовому циклу. Реагируя в основном на чередование света и тьмы, такие естественные процессы влияют не только на людей, но и на животных, растений, микроорганизмов. Одним из ярких примеров протекания такого явления считается цикл чередования бодрствования днем и сна ночью.
Важность обеспечения правильной работы биологических часов
Ввиду того, что биологические часы человека являются чрезвычайно важными механизмами, которые определяют длительность и качество жизни, необходимо следить за поддержанием их безупречного функционирования. Когда дело доходит до того, что они отключаются, страдают все системы организма. Вследствие сбоя в работе таких часов увеличивается риск возникновения сердечных заболеваний, диабета, рака.
Вовремя распознать неполадки позволит ряд симптомов, свидетельствующих о сбое в работе биологических часов:
— проблемы с пищеварением;
— изменения в функционировании гормонального фона;
— снижение физической, умственной работоспособности;
— изменение температуры тела без видимой причины;
— присутствие проблем с засыпанием и просыпанием, чуткий сон.
Также могут возникнуть нарушения в плане настроения, когда появляется беспричинная тревога, раздражительность и даже депрессия. В ряде случаев может развиться пищевая зависимость.
Факторы, влияющие на сбой работы биологических часов
Зачастую биологические часы функционируют по типичному графику, но иногда они могут выходить за пределы нормального диапазона. Такие изменения нередко происходят вследствие определенных факторов, которые напрямую влияют на рассинхронизацию циркадных ритмов и естественного цикла, когда свет сменяет темноту.
Во многом оказывают влияние на изменение хода работы внутренних часов человека такие моменты как:
— сменная работа ночью;
— изменение в определенных генах;
— смена часовых поясов;
— свет, исходящий от электронных устройств в ночное время.
Каждый из таких факторов способен вызвать нарушения сна, привести к формированию хронических заболеваний или способствовать обострению существующих недугов.
Способы сохранения слаженной работы биологических часов
Учитывая то, что лучше осуществить профилактику недуга, чем потом заниматься излечением от него, важно выполнять ряд действий, которые точно помогут сохранить безупречную работы внутренних часов.
1. Соблюдение постоянного графика сна – ложиться спать лучше всего согласно заранее спланированному графику.
2. Формирование правильных привычек перед засыпанием – желательно полностью выключить или по максимуму ограничить воздействие внутреннего освещения, экранов планшетов, смартфонов на несколько часов перед сном во избежание нарушения циркадных ритмов.
3. Начало дня должно происходить при ярком свете – в первые минуты после пробуждения важно включить достаточное количество осветительных приборов или полностью открыть шторы на окнах.
4. Отказ от употребления пищи на ночь – чтобы не пострадало качество сна, следует не налегать на жирную, острую еду за 2-3 часа до начала засыпания.
5. Занятия спортом – физические упражнения в течение минимум 10 минут в день многократно улучшают качество сна.
Однако в тех случаях, когда биологические ритмы сбиваются очень сильно, помимо соблюдения приведенных выше рекомендаций следует дополнительно обратиться к квалифицированному специалисту в области сна. Такому врачу удастся определить причины произошедшего сбоя и подобрать индивидуальный курс терапии для налаживания ситуации.
Уменьшение светового дня: как меняются биоритмы человека?
Биоритмы или циркадные ритмы – циклические колебания биологических процессов, которые протекают в организме и связаны со сменой дня и ночи. Это важный механизм приспособления, который помогает адаптироваться в окружающей среде. Но как работают биоритмы человека и как они меняются в зависимости от времени года?
Что нужно знать о циркадных ритмах?
Основная задача биоритмов – помощь в реализации своей генетической программы: поиск пищи в наиболее подходящих условиях, своевременное восстановление сил, подготовка к изменениям погоды и времен года.
Организм человека подчиняется биоритмам, причем некоторые из них короткие по периодичности: дыхание, сердечные сокращения. Существуют и долгосрочные, например, подготовка к спячке, перелет птиц, а у человека — менструальный цикл у женщин и др.
Циркадные ритмы связаны с вращением Земли, сменой дня, и они отвечают за многие аспекты жизни. Например, в некоторые дневные часы отмечается лучшая работоспособность, в другие — легче справляться с физической нагрузкой и она даст лучший результат.
Для примера, самая низкая точка концентрации внимания достигается ранним утром, поэтому так много ДТП в промежуток между 3-5 часами утра, причем это не зависит от уровня бодрости водителей и других показателей. Кстати, умственная работоспособность также практически на нуле, поэтому нет смысла засиживаться за работой или учебной до раннего утра.
Главный дирижер биоритмов
Существует так называемые молекулярные часы, совпадающие с природными сутками, но и есть и главный дирижер, который контролирует все процессы. Если естественный период молекулярных часов не совпадает с природными сутками, то именно супрахиазматическое ядро под влиянием световых сигналов извне дает общие команды и синхронизирует эту работу.
Центральные «часы» – это скопление тысяч нейронов и замкнутая система, на выходе которой получаются электрические импульсы. Полученные сигналы из сетчатки глаза о световом дне усиливают эти импульсы или же, наоборот, ослабевают.
Но у незрячих людей эти часы также работают, но четкого периода дня и ночи не возникает.
Импульсы, которые вырабатывают центральные части (ядро, находящееся в гипоталамусе), отправляет сигнал в другие отделы нервной системы, в том числе, и в спинной мозг. Оттуда этот сигнал передается в периферические органы.
Эпифиз или шишковидная железа под действием этого сигнала вырабатывает гормон – мелатонин, являющийся стабилизатором суточных ритмов, и способствующий сну. Поэтому его назначают как снотворное, а также средство, которое поможет смягчить или избавиться от джетлага – сдвига циркадных ритмов, возникающего при резкой перемене часовых поясов, когда разница составляет более 4-8 часов.
Мелатонин и серотонин
Мелатонин вырабатывается из серотонина в темное время суток. Это продуманная система, ведь когда нужно спать, нервное возбуждение излишне, и не поможет полноценному отдыху. Но если человек постоянно засиживается на свету за полночь, то организм лишается положенного мелатонина. Отсюда и формируются соответствующие проблемы.
Но есть и обратная сторона, если мы большую часть времени проводим в темноте, то гормон счастья вырабатывается в меньших количествах, и это лишает положительных эмоций, снижает активность мозга в целом. Нередко развиваются депрессия и ей подобные состояния. Лучший пример – осенняя хандра, ранее этому состоянию не уделяли внимания, но последние исследования изменили ситуацию.
Относительно недавно в медицинском мире появился термин – сезонная депрессия, обоснованная снижением продолжительности светового дня. Большой интерес к проблеме обоснован тем, что в странах, где длительность светового дня не совпадает с активным периодом человека, среди населения высокая распространенность депрессивных состояний с суицидальными наклонностями.
Уменьшение светового дня и биоритмы
На цикл сна и бодрствования воздействует 2 фактора: солнечный свет и выработка мелатонина. Поэтому, чем выше интенсивность солнечного света, тем активнее ведут себя наши внутренние часы. Человек ощущает себя бодрым, полным сил и готовым на любые свершения.
В пасмурный день многие ощущают сонливость, даже говорят «сонная погода». Но даже через тучи пробивается солнечный свет, и его достаточно, чтобы воздействовать на центры сна и бодрствования.
Мелатонин вырабатывается между 21-22 часами, когда на улице уже темно, и сигнализирует организму о том, что наступает ночь и нужно ложиться спать. Так мозг переключается на ночной режим, замедляется работа организма и обменных процессов. Но, с возрастом, а также при наличии других факторов, выработка мелатонина снижается.
Влияет на этот фактор, во-первых, возраст, поэтому некоторые люди начинают испытывать проблемы со сном. Во-вторых, действуют другие факторы: использование гаджетов в постели, наличие в спальне источников света, которые вмешиваются в эти процессы. В третьих, на эти слаженные процессы влияет и время года, погодные условия, и особенности региона проживания, например, белые ночи и др.
С наступлением зимы у большинства людей биологические ритмы смещаются – вслед за восходом солнца. Активное время для продуктивного дня смещается в первую его половину, а когда наступают сумерки, активность снижается. Появляется сонливость и снижение работоспособности. Однако, этого достаточно, чтобы продолжать заниматься делами.
При уменьшении светового дня и формировании депрессии, в крови увеличивается концентрация кортизола – гормона, который вырабатывается надпочечниками, и способен угнетать работу иммунной системы. А это неминуемо ведет к повышенной восприимчивости к инфекционным и другим заболеваниям. Поэтому существует мнение, что короткий световой день – причина вспышек респираторных инфекций в зимнее время года.
Такие изменения объясняются физиологическими изменениями, хоть и предрасполагают к болезням. Однако контролировать этот процесс можно, да и противостоять ОРВИ и гриппу не так сложно, как кажется: активный образ жизни, витаминотерапия, полноценное питание – факторы, которые помогут поддерживать нормальный режим дня и предотвратить болезни.
Будьте здоровы! Питайтесь полноценно и занимайтесь спортом!
Циркадные ритмы у человека что это такое
Для нормальной деятельности человеку необходимы питательные вещества. Они поступают в организм с пищей и являются источником энергии и строительным (пластическим) материалом. У взрослого человека питание поддерживает жизненные процессы и восполняет энергетические затраты на выполнение различных видов работ.
Рациональный режим питания способствует поддержанию аппетита и обеспечивает выделение пищеварительных соков, необходимых для нормального пищеварения и усвоения пищи. Неправильно организованное питание ослабляет организм, снижает его устойчивость к вредным влияниям окружающей среды и заболеваниям.
Рациональный режим питания строится с учетом суточного ритма работы органов пищеварения, ибо пищеварение подчиняется тем же законам ритмичности, что и весь организм.
Ночью и рано утром организм человека, в том числе и его пищеварительная система, находятся в состоянии естественного отдыха, т.е. относительного покоя. Активность органов пищеварения ночью мала, к утру, она повышается, достигает максимума днем, постепенно снижаясь к вечеру.
Суточное количество секретируемой желчи колеблется у взрослого человека от 800 до 1000 мл. При голодании желчеобразование может резко уменьшаться.
Основное значение желчи в процессе пищеварения заключается в том, что желчь активизирует и усиливает действие фермента поджелудочной железы липазы, растворяет большое количество жирных кислот, способствует всасыванию жиров и оказывает положительное влияние на перистальтику и моторную функцию кишечника (в первой половине дня перистальтика и моторная функции усилены, этим обеспечивается утреннее очищение кишечника).
В первой половине дня печень расходует запасной углевод гликоген, превращая его в простые сахара, отдает воду, образует больше мочевины и накапливает жиры.
Таким образом, суточная норма жиров и белков должна быть получена преимущественно в утренние и дневные часы, когда печень выделяет наибольшее количество желчи, необходимое для их переваривания.
Во второй половине дня и вечером разумнее есть пищу, богатую углеводами (картофель, крупы, овощи), поскольку в это время печень перерабатывает и усваивает сахара.
Существуют индивидуальные ритмы питания
У лиц утреннего типа («жаворонков»), просыпающихся утром легко, чувствующих себя сразу после подъема свежими и бодрыми, потребность в завтраке ощущается на протяжении первого часа после пробуждения. У лиц вечернего типа («сов»), встающих утром с трудом, которыми движет не собственный ритм работоспособности, а необходимость успеть вовремя на занятия, на работу, как правило, аппетит после подъема отсутствует, или снижен. Потребность в еде они начинают чувствовать только часа через 1,5-2 после пробуждения. Если лица вечернего типа могут встать позже, то они также не отказываются от плотного завтрака.
Соблюдение интервала между приемами пищи определяется временем пищеварительного цикла желудка (от поступления пищи в желудок и до ее продвижения в кишечный тракт).
Промежутки между приемами пищи должны составлять не менее 3 и не более 4-4,5 часов, поскольку примерно через 3-4 часа заканчивается переваривание пищи в желудке, и она его покидает.
Совершенно недопустимы длительные перерывы в приеме пищи. Суточный рацион питания требует нескольких приемов пищи.
Рекомендуется 4-5 разовое питание (ни в коем случае не реже 3-х раз в день), обусловленное наличием оптимального времени для приема пищи, т.е. времени, когда съеденные продукты усваиваются более полно и лучше обеспечивают потребность организма в пластических, энергетических и регуляторных ингредиентах. Распределение общего объема пищи в течение дня при 4-5 разовом питании представлено в таблице.
Таблица. Примерное распределение энергетической ценности пищи в суточном рационе (в %)
Как починить свои биологические часы, чтобы хорошо спать и 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
Что такое циркадные ритмы
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:
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.
Снова о циркадных ритмах
Научные данные указывают на то, что распорядок дня, согласованный с циркадными ритмами, — это важный аспект здоровой жизни.
Авторы
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Современный человек окружен множеством соблазнов, мешающих ему вовремя лечь спать: полистать инстаграм, посмотреть новый эпизод любимого сериала, поработать, когда все домашние наконец-то спят, сходить в клуб (если пандемия не вносит свои коррективы). Однако сейчас уже не только бабушка, но и ученые говорят о том, что всему свое время. Мы живем на планете Земля, которая вращается и создает для всех нас циркадный ритм. Ученые крайне заинтересованы в его изучении. В исследовании циркадных ритмов живых организмов можно выделить два основных направления: 1) Механизмы клеточных часов — за их открытие уже присудили в 2017 году Нобелевскую премию. 2) Работа вестника ночи — мелатонина, в исследовании которого остается много белых пятен (об этом и поговорим подробно в этой статье).
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.
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.
Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Клеточные часы — Нобелевская премия 2017
Хронобиология — наука, изучающая биологические ритмы, — выделяет дневные, приливные, недельные, сезонные и годовые ритмы. В этой статье мы затронем вопросы, связанные с циркадными (от лат. circa — «около, кругом» + dies — «день») ритмами. Циркадные ритмы возникли в результате ежедневных изменений освещенности, вызванных вращением Земли. Циркадные ритмы есть у цианобактерий, грибов, растений и животных. У человека можно наблюдать суточные изменения физиологических параметров: температуры тела, синтеза гормонов (например, кортизола) и ферментов, циклы сна и бодрствования [1], [2].
К середине ХХ века было накоплено уже много данных о циркадных ритмах, и поэтому темой ежегодного симпозиума по количественной биологии в Колд Спринг Харбор в 1960 году стали «Биологические часы». В следующие десятилетия случились главные события в исследовании молекулярных основ циркадных ритмов, за что в 2017 году Джеффри Холл, Майкл Росбаш и Майкл Янг были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине [3].
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.
1958 год. А.Б. Лернер, дерматолог из Йельского университета, вместе с коллегами выделил из эпифиза быков вышеописанное вещество, изменяющее цвет кожи лягушек [5]. Они рассчитывали, что это вещество будет полезно при лечении кожных болезней. Назвали вещество «мелатонин». Слова «мелатонин» и «меланин» имеют общий греческий корень melos — черный. Дерматологические надежды Лернера и коллег на мелатонин не оправдались, но это открытие не осталось незамеченным.
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.
Свет является главным водителем ритма, влияющим на циркадные ритмы в организме. Вот как система светового оповещения работает у млекопитающих, в том числе у человека. Свет попадает на сетчатку глаза. Кроме всем известных со школы колбочек и палочек, в сетчатке есть ганглиозные клетки, содержащие пигмент меланописин [11]. Сигналы с этих клеток поступают в супрахиазматическое ядро (СХЯ) по зрительному нерву. СХЯ — это главный генератор циркадных ритмов у млекопитающих, расположенный в передней области гипоталамуса. СХЯ передает сигнал в эпифиз (шишковидное тело), где регулируется выработка мелатонина. Есть только одно большое «но»: у млекопитающих (и дневных, и ночных) синтез мелатонина скорее обратно пропорционален освещенности (много мелатонина вырабатывается ночью, а не днем), в отличие от древних одноклеточных, которых мелатонин защищал от свободных радикалов [12]. Связано это с тем, что в темное время суток СХЯ посылает сигнал, который активирует ключевой фермент синтеза мелатонина — арилалкиламин-N-ацетилтрансферазу (AANAT) в шишковидном теле. Фермент начинает энергично синтезировать мелатонин, осуществляя первую реакцию ацетилирования. В качестве субстрата AANAT использует другой индол со знакомым многим названием — серотонин (рис. 1). Таким образом, в шишковидном теле наблюдаются колебания двух индолов: днем в эпифизе много серотонина, а с наступлением ночи и включением фермента AANAT этот серотонин превращается в мелатонин и выделяется в кровь [13], [14].
Рисунок 1. Схема синтеза мелатонина из серотонина в клетках эпифиза.
адаптировано по материалам сайта Medi.ru
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].
Кроме влияния на процессы в клетке через трансмембранные рецепторы, мелатонин обладает способностью проникать внутрь самой клетки. Происходит это благодаря химической природе вещества, которая позволяет проходить и через гематоэнцефалический барьер, и через мембрану клетки. Такой путь проникновения и работы мелатонина в литературе обобщается под размытым понятием «рецептор-независимые эффекты мелатонина» [21]. Как раз с этими эффектами связывают многочисленные воздействия мелатонина на физиологические процессы: на кровяное давление, на иммунную систему, противоопухолевую защиту и т.д. Из молекулярных механизмов рецептор-независимых эффектов мелатонина известно, что в цитозоле мелатонин взаимодействует с определенными редуктазами, например, с хинон-редуктазой-2. Показано, что этот фермент обеспечивает антиоксидантное воздействие [22]. Другой обнаруженный партнер для связывания мелатонина — кальмодулин. Этот небольшой, высококонсервативный кальций-связывающий белок играет ключевую роль в управлении метаболизмом клетки. Поскольку структуры мелатонина и кальмодулина филогенетически консервативны, взаимодействие кальмодулин—мелатонин, вероятно, представляет собой важный механизм регуляции и синхронизации физиологии клетки [23].
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.