Kako funkcioniraju endogeni biološki ritmovi

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Članak je posvećen radu cirkadijanskih ritmova - endogenih bioloških ritmova u trajanju od oko 24 sata, karakterističnih za većinu organizama, pa tako i za ljude. Ovo je pregled najnovijih znanstvenih istraživanja, a ne zbirka korisnih savjeta, iako članak govori o mogućoj promjeni načina života. Ovaj pregled nije iscrpan; nastavit ćemo ga ažurirati kako se budu pojavljivale nove istraživačke studije.

Glavna stvar:

→ Dosljedni i zdravi cirkadijalni ritmovi mogu pomoći poboljšanju cjelokupnog zdravlja, kao i učinkovitoj prevenciji kroničnih bolesti.

→ Ne zaboravite spavati: prehrana, tjelovježba i drugi čimbenici utječu na funkcioniranje cirkadijalnih ritmova.

→ Proučite osobitosti rada cirkadijanskih ritmova, odredite svoj "kronotip", a zatim stečeno znanje primijenite na metodološke preporuke naznačene u znanstvenim istraživanjima.

Prije nego što bilo koji savjet iz ovog članka uključite u svoju dnevnu rutinu, provjerite sa svojim zdravstvenim djelatnikom.

Prije čitanja članka: kratki pojmovnik

1. Cirkadijan: ciklus koji se prirodno ponavlja s razdobljem od oko 24 sata, bez obzira na duljinu dnevnog svjetla; od latinskog circa ("o") i diem ("dan").
2. Senzor ritma: signal okoline, kao što je promjena svjetla ili temperature; od njemačkog zeit ("vrijeme") i geber ("davatelj").
3. Endogeni: patološki proces u tijelu uzrokovan unutarnjim čimbenicima, a nije uzrokovan vanjskim utjecajima (korijenski uzrok).
4. Prilagodba cirkadijanskog ritma: događa se kada ritmički, fiziološki ili bihevioralni zadaci odgovaraju promjenama u okolini; interakcija cirkadijanskih ritmova s okolinom.
5. Dnevno: svaki dan; od latinskog dies (dan) i i diurnus (dnevno).
6. Glavni sat: par staničnih populacija pronađenih u hipotalamusu, također poznat kao suprahijazmatska jezgra (SCN); Ove stanice sadrže gene koji kontroliraju cirkadijalne ritmove.
7. Mutantni gen: trajna promjena u sekvenci DNK; koju kronobiolozi koriste za prepoznavanje mehanizma gena sata identificiranjem mutantnog gena kod životinja s aritmičnim cirkadijanskim sindromom.

Zamislite biljku koja pokušava fotosintetizirati noću: kratka drama u mraku. “Biljke se bave životom i smrću”, kaže Sally Yu, docentica biokemije i stanične biologije na Sveučilištu Texas u Houstonskom Centru zdravstvenih znanosti (UTealth), mračno. "Ako ne slijede cirkadijalne ritmove, umrijet će." Ali za osobu, prognoza neće biti tako mračna. "Čak i ako uklonite gen sata (važan gen koji regulira rad cirkadijalnih ritmova), nećete odmah umrijeti", kaže Yu. "Ali ćete patiti." Vjerojatni problemi? Trajni psihički problemi i, između ostalog, povećan rizik od kroničnih bolesti. Život je težak kada sve nije usklađeno.

Yuov kolega, Jake Chen, docent na istom odsjeku, kaže drugačije: „Često kažemo da sve treba raditi po planu. Ali ovo je pretjerivanje. Ali fraza "sve ima svoje vrijeme" nije. A to je izravno povezano s ljudskim tijelom. U svakoj pojedinoj stanici, tkivu ili organu fiziološki se procesi odvijaju u određeno vrijeme. Biološki sat je svojevrsni mjerač vremena - mehanizam pomoću kojeg se možemo uvjeriti da sve radi kako treba. Ovo je temeljna funkcija.”

Chen i Yu proučavaju cirkadijalne ritmove – biološke ritmove tijela s periodom od oko 24 sata, koje svakodnevno prate sva živa bića na našem planetu. Cirkadijalni ritmovi ili cirkadijalni ritmovi izravno su povezani s milijunima godina razvoja života na našem planetu. To je proizvod interakcije unutarnjeg biološkog sata tijela i okoliša – ne samo sunčeva svjetlost, već i mnogi drugi čimbenici određuju ponašanje, reguliraju razinu hormona, san, tjelesnu temperaturu i metabolizam.

Takozvani "glavni sat" ili suprahijazmatska jezgra (SCN), glavni sat koji kontrolira cirkadijalne ritmove, par je staničnih populacija ispunjenih genima (uključujući Clock, Npas2, Bmal, Per1, Per2, Per3, Cry1 i Cry2), koji se nalazi u hipotalamusu. Na molekularnoj razini, tragovi gena sata nalaze se u bubrezima, jetri, gušterači i drugim organima. SCN djeluje kao izvršni direktor koji daje upute tijelu da se pridržava rasporeda i obrađuje signale iz okoliša. Medicinski institut Howard Hughes.)

Kako ćemo kasnije vidjeti, obraćanje pozornosti na cirkadijalne ritmove poboljšava svakodnevno (fiziološko i psihičko) funkcioniranje tijela i, u konačnici, utječe na zdravstveno stanje, kako dugoročno tako i kratkoročno. Briga o cirkadijalnim ritmovima održava ih u radu, a istovremeno održava ono što Sally Yu naziva "pouzdan sat".

“Ne mogu sa sigurnošću reći koliko su cirkadijalni ritmovi važni u prevenciji kronične bolesti, kakav učinak imaju na zdravlje dugoročno, je li koristan i u konačnici utječe na očekivani životni vijek.”

Informacije o stručnjacima:

Znanstvenik: Zheng "Jake" Chen

Obrazovanje: doktorat, Columbia University, New York

Radno mjesto: docent na Odjelu za biokemiju i staničnu biologiju na Sveučilištu Texas Health Sciences Center u Houstonu

Posljednji objavljeni članak: Mala molekula Nobiletin cilja na molekularni oscilator kako bi poboljšala cirkadijalne ritmove i zaštitila od metaboličkog sindroma.

Područje istraživanja: Male molekularne sonde za kronobiologiju i medicinu.

Znanstvenik: Seung Hee "Sally" Yoo

Obrazovanje: doktor znanosti, Korejski institut za znanost i tehnologiju

Položaj: izvanredni profesor, Odjel za biokemiju i staničnu biologiju, Centar zdravstvenih znanosti Sveučilišta Texas u Houstonu

Posljednji objavljeni članak: Period2 3'-UTR i mikroRNA-24 reguliraju cirkadijalne ritmove potiskivanjem akumulacije proteina PERIOD2. Također razvoj i terapeutski potencijal malih molekulskih modulatora cirkadijanskih sustava.

Područje istraživanja: Temeljni stanični mehanizmi u cirkadijanskim ritmovima i dešifriranje fizioloških i patoloških uloga sata.

POVIJEST: GLAVNE FAZE BIOLOŠKOG RAZVOJA CIRKADIČNIH RITMOVA

Prva stvar koju treba znati o proučavanju cirkadijanskih ritmova (kronobiolozi to rade) je da, uz rijetke iznimke, svi organizmi slijede svoje cirkadijalne ritmove. Od narcisa do vrabaca, od zebri do ljudi, gotovo svi živi organizmi na planeti slijede solarni ciklus. Godine 1729. francuski znanstvenik Jean-Jacques de Meran zabilježio je prvo opažanje endogenih ili ugrađenih dnevnih pomicanja listova biljke Mimosa pudica. Čak i u potpunom mraku, biljka je nastavila pratiti svoj dnevni ritam. Znanstvenik je zaključio da se biljka ne oslanja samo na vanjske signale ili senzor ritma, već i na vlastiti unutarnji biološki sat.

Kronobiologija je cvjetala dvjesto godina kasnije, sredinom 20. stoljeća. Pogođen doprinosom brojnih znanstvenika, posebice Colina Pittendryja, "oca biološkog sata". Pittendry je proučavao voćne mušice ili Drosophilu i bacio svjetlo na to kako cirkadijalni ritmovi djeluju ili se sinkroniziraju s ciklusom dana i noći. Jurgen Aschoff, Pittendryjev prijatelj, također je proučavao interakciju s ciklusom dana i noći, no znanstvenici su došli do različitih zaključaka o tome kako se interakcija događa (parametrijska i neparametrijska, više o tome možete pročitati ovdje i ovdje). John Woodland Hastings i njegovi kolege došli su do temeljnih otkrića o ulozi svjetlosti u cirkadijanskim ritmovima proučavajući bioluminiscentne dinoflagelate (alge, vrsta planktona). Botaničar Erwin Bunnig također je pridonio temeljnim istraživanjima o modeliranju interakcija, opisujući odnos između organizama i graničnih ciklusa.

Sljedeća faza otkrića u kronobiologiji povezala je specifične molekularne i genetske mehanizme rada cirkadijanskih ritmova. To proizlazi iz rada Rona Konopke i Seymoura Benzera, koji su početkom 1970-ih nastojali identificirati specifične gene koji kontroliraju cirkadijalne ritmove voćnih mušica. Konopka i Benzer zaslužni su za otkriće mutiranog gena, koji su nazvali razdobljem koje remeti cirkadijalni sat voćnih mušica. Tako je prvi put otkrivena genetska odrednica ritmova ponašanja. Jeffrey S. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young uspješno su nadopunili rad Konopke i Benzera pokazujući rad gena razdoblja na molekularnoj razini. Hall, Rosbash i Young dobili su Nobelovu nagradu za fiziologiju i medicinu 2017. Izolirali su gen za period, a zatim pokazali kako sustav dnevnog sata funkcionira na molekularnoj razini.

Tijekom istraživanja na voćnim mušicama i miševima 1994., Joseph Takahashi i njegov tim otkrili su gene sata kod sisavaca i nazvali ih satovima, opisujući ih kao "evolucijski očuvanu značajku cirkadijanskog mehanizma sata". Otkriće gena za sat, zajedno s radom Halla, Rosbasha, Younga i znanstvenika Michaela Greenberga, bio je prijelomni trenutak u kronobiologiji. U roku od nekoliko godina otkriveni su geni koji osiguravaju rad cirkadijalnih ritmova u nižim organizmima.

Znanost stalno napreduje, a mnoge studije na voćnim mušicama i miševima pokazale su nevjerojatnu postojanost gena sata unutar vrsta, što znači da postoje slični geni koji kontroliraju cirkadijalne ritmove u složenijim organizmima, uključujući ljude.

"Izlazak i zalazak sunca i dalje su glavni čimbenici koji utječu na cirkadijalne ritmove, ali drugi čimbenici se kontinuirano prate u znanstvenim istraživanjima."

NAJNOVIJA ISTRAŽIVANJA: ODREĐIVANJE ULOGE CIRKADIJEVNIH RITMOVA U LJUDSKOM ZDRAVLJU I BOLESTI

Važno je napomenuti da je biologija cirkadijanskih ritmova nevjerojatno složena - postoji mnogo znanstvenih časopisa posvećenih ovom području istraživanja. Kao rezultat toga, naše razumijevanje uloge biološkog sata u ljudskom zdravlju rezultat je epidemioloških studija, kao i studija na životinjama. Istraživanja na nižim organizmima pomažu otkriti rad molekularnih i genetskih mehanizama na djelu, nakon čega se može vidjeti kako, primjerice, poremećaj sna dovodi do povećanog rizika od dijabetesa tipa 2, pretilosti i niza kardiovaskularnih bolesti.

Doista, jedno od područja istraživanja koja najviše obećavaju je spavanje. Znanstvenici danas povezuju nedostatak sna i naknadni poremećaj cirkadijalnih ritmova s razvojem pretilosti i depresije, kao i većine kroničnih bolesti. Istraživanja su pokazala da nedostatak sna može dovesti do neočekivanih nuspojava, poput nemogućnosti prepoznavanja lica.

Razumijevanje kako cirkadijalni ritmovi funkcioniraju također je otišlo daleko dalje od interakcije s ciklusom dana i noći. "Postoje društveni znakovi, znakovi hrane i znakovi vježbanja - oni su vrlo raznoliki", kaže Y. Izlazak i zalazak sunca još uvijek imaju veliki utjecaj na cirkadijalne ritmove, ali se istražuju drugi čimbenici. Veliki dio rada pokazao je da je prehrana ključni vanjski signal koji je u interakciji s unutarnjim satom, uključujući rad dr. Satchidanande Pande na ograničavanju vremena prehrane (kako vrijeme jela utječe na zdravlje).

Općenito, sada je jasno da cirkadijalni ritmovi imaju sustavnu ulogu u organizaciji rada svih fizioloških aspekata ljudskog tijela, uključujući rad vitalnih organa, metabolizam, imunitet, misaone procese itd. Rad dr. Yu proširuje područje istraživanja - surađuje sa specijalističkom studijom kronične boli kako bi proučavala ritmove boli kod pacijenata. Također, u tijeku je rad na proučavanju uloge graničnog ciklusa u poremećajima u radu cirkadijanskih ritmova (učinak promjene vremenskih zona na rast stanica raka). Istraživanja poput ovog pružaju nam važne nove uvide koji se mogu koristiti za promjenu načina života – znati u koje vrijeme jesti i ići spavati općenito je važno za zdravlje; a kod bolesti se stečeno znanje može primijeniti u potrazi za lijekovima koji reguliraju rad cirkadijanskih ritmova. Znanstvenici moraju još puno istraživati u gotovo svim područjima vezanim za zdravlje i bolesti.

OSNOVNA MISAO: ZAŠTO JE VAŽNO ZNATI O CIRKADNIM RITMOVIMA?

Svijest o tome kako cirkadijalni ritmovi funkcioniraju može imati i kratkoročne i dugoročne učinke na zdravlje. “Promjene u načinu života najbolji su dar koji si možete dati”, kaže Chen. “Ako upravljate svojim životnim stilom, tehnologija i medicina mogu postati sekundarni čimbenici tijekom vašeg života.” Kratkoročno, studije na životinjama i ljudima pokazuju da stilovi života koji podržavaju zdrave cirkadijalne ritmove mogu podržati budnost, motoričku koordinaciju, kardiovaskularno zdravlje, imunološku funkciju, zdravlje crijeva, misao i san. Postoje dokazi koji podupiru dugoročno smanjenje rizika od kronične bolesti.

"Učinci promjena načina života možda neće biti vidljivi nekoliko dana, ali s vremenom će prednosti biti ogromne."

Dakle, kakav način života trebate voditi kako biste se uskladili sa svojim cirkadijanskim ritmovima? Prvo što trebate učiniti je obratiti pažnju na svoje bioritmove. Cirkadijalni ritmovi, iako izgrađeni na istoj osnovi, razlikuju se od osobe do osobe zbog dobi, genetskih i okolišnih razlika. Švabinje više vole jutro. Sove više vole noć. Morate paziti na prirodne sklonosti svog tijela („kronotip“) kako biste uspješno primijenili znanja najnovijih znanstvenih istraživanja. Također, ne zaboravite da ne postoji pristup koji odgovara svima.

Drugi je pridržavanje dosljednog, rutinskog rasporeda svaki dan, sedam dana u tjednu. Dr. Yu govori o "jet lagu" (društveni jet lag) - kada ljudi krše svoj raspored atipičnim navikama, kao što su jedenje i odlazak u krevet kasnije, buđenje kasnije i vježbanje u različite dane u tjednu u različito vrijeme. Sve ove radnje mogu dovesti do istih negativnih posljedica kao i promjena vremenskih zona. Što se više i dosljednije pridržavate režima, to će vam tijelo bolje pomoći u tome.

Treće - primjenom znanja stečenog znanstvenim istraživanjima - podaci o prehrani, spavanju i vježbanju detaljno su navedeni u nastavku. Mnoge promjene načina života koje su istraživanja pokazala uključuju promjene u prehrambenim navikama – na primjer, lošu ideju jesti prije spavanja. Prepun je negativnih zdravstvenih posljedica. Jedite male obroke rano i kasno u danu, što je dovoljno lako probati. Isto vrijedi i za spavanje – morate se pridržavati režima i spavati najmanje 7-8 sati. U najgorem ćete se osjećati odmorno, au najboljem ćete poboljšati izglede za zdrav život.

Glavna stvar: spavanje, hrana i sport su osnova zdravog načina života.

SAN

Najvažnija stvar koju možete učiniti je održavati dosljedan raspored spavanja i buđenja te dovoljno spavati – 7-9 sati sna smatra se normalnim za odraslu osobu. Rezultati istraživanja o nedostatku sna i poremećajima spavanja pokazuju da nedostatak sna i poremećaji spavanja negativno utječu na raspoloženje, koncentraciju i povezani su s kroničnim bolestima. Štoviše, neki znanstvenici nagađaju da bi cirkadijalni neusklađenost uzrokovana društvenim jetlagom mogla biti široko rasprostranjena u zapadnom društvu i pridonijeti zdravstvenim problemima.

Dakle, u koje vrijeme biste trebali ići u krevet? Obično tijelo počinje proizvoditi melatonin u 21:00. Ovo je signal - trebate sve završiti i otići na odmor. Lučenje melatonina završava oko 7:30 ujutro, a tijekom dana melatonina praktički nema u tijelu. Prilagođavanje osobnih preferencija na temelju vaših prirodnih sklonosti ključno je za izbjegavanje poremećaja spavanja (kao što je buđenje tijekom spavanja) i održavanje optimalnog zdravlja.

I na kraju, svjetlost. Ciklus dana i noći nije jedini čimbenik koji utječe na ljudski organizam, jer smo stalno suočeni s umjetnom rasvjetom, a ona ipak ima primarnu ulogu. Dobivanje dovoljno prirodnog svjetla rano tijekom dana i izbjegavanje neprirodne rasvjete (kao što je plavo svjetlo sa zaslona pametnog telefona) navečer pomaže u održavanju zdravih cirkadijanskih ritmova.

Ključne točke: dovoljno spavajte i pobrinite se da vrijeme spavanja i buđenja ostane isto sedam dana u tjednu. Ako ste neispavani, odmah počnite obnavljati svoj režim, inače riskirate dugoročno ugroziti svoje zdravlje.

ISHRANA

Općenito govoreći, istraživanja pokazuju da je visokokaloričnu hranu najbolje jesti ujutro. Pokušajte jesti svoj večernji obrok dobro prije spavanja i manje kalorijski. Ako sve možete obaviti oko 18:00 ili 19:00 i dati svom tijelu 12-14 sati za odmor, vidjet ćete kratkoročne i dugoročne zdravstvene prednosti.

Djelomično je činjenica da unutarnji sat vaše jetre ne radi noću. Jetra prestaje proizvoditi enzime za pretvaranje kalorija u energiju; umjesto toga, proizvodi enzime za pohranu energije. Ako puno jedete prije spavanja, vaša jetra je prisiljena raditi prekovremeno i na kraju štedite više energije nego što trošite.

Još jedna važna odluka koju možete donijeti (osim zdrave prehrane) je vremenski raspored vašeg dnevnog obroka. Iako su podaci još uvijek ograničeni, studije na životinjama i rad dr. Pande sugeriraju da je “vremenski ograničena prehrana” laka i potencijalno korisna promjena načina života. Optimalno rješenje ovisi o vašem cilju. Ali ako je cilj poboljšati svoje cjelokupno zdravlje, onda je bolje početi u 8-9 sati. Ali, u smislu dugoročne usklađenosti, možda bi bilo preporučljivo početi u 10-12 sati.

Ključna točka: Jedite više tijekom dana, a ne prije spavanja. Da biste poboljšali svoje zdravlje, počnite jesti u 10-12 sati.

SPORT

Dok neke studije pokazuju da anaerobni učinak doseže vrhunac u poslijepodnevnim satima, među stručnjacima ne postoji konsenzus o povezanosti cirkadijanskih ritmova i vježbanja – s iznimkom prisutnosti molekularnog sata u skeletnim mišićima.

I, baš kao i učinci osvjetljenja i vremena obroka, vrijeme vježbanja također igra važnu ulogu u održavanju zdravih cirkadijanskih ritmova.

Glavna stvar: redovito vježbajte, a anaerobnu aktivnost ostavite za poslijepodne.

ZAKLJUČAK

Istraživanje kako cirkadijalni ritmovi funkcioniraju prilično je jednostavno."Vaš je unutarnji sat dizajniran da troši energiju tijekom dana i obnavlja energiju tijekom noći", kaže Y. Što je bolje vrijeme, to je manje trošenje cirkadijalnog sata. Iako je unutarnji sat stabilan, dosljedno narušavanje režima može dovesti do dugotrajnih zdravstvenih problema.

“Kad smo mladi, tijelo može podnijeti mnogo toga”, kaže Yu. “Ali to ne znači da je sve u redu. To je poput potrošnje goriva: trošite previše energije na aritmičke aktivnosti, što će u budućnosti dovesti do problema s funkcioniranjem cirkadijalnih ritmova.”

Nećete skratiti svoj život za pet godina kasnim jelom, ali u vašem tijelu postoje određeni sati za zaštitu zdravlja i smanjenje poremećaja u vašoj fiziologiji. Budite ljubazni i pažljivi prema sebi i vidjet ćete rezultat.