Циркадный ритм
-
Определение и функции циркадных ритмов
- Циркадные ритмы — это естественные колебания, повторяющиеся примерно каждые 24 часа.
- Они регулируют биологические процессы, обеспечивая максимальную физическую подготовку.
- Циркадные часы координируют биологические процессы в нужное время.
-
История и наблюдения
- Теофраст описал циркадные ритмы у растений в 4 веке до н.э.
- В 1729 году Жан-Жак д’Орту де Майран отметил 24-часовые закономерности у растений.
- В 1896 году Патрик и Гилберт заметили, что сонливость увеличивается и уменьшается на 24 часа.
- В начале 20 века циркадные ритмы были замечены у пчел и плодовых мушек.
-
Терминология и критерии
- Термин «циркадный» введен Францем Халбергом в 1959 году.
- Циркадный ритм должен иметь эндогенный период покоя около 24 часов и сохраняться в постоянных условиях.
- Ритм может быть восстановлен внешними стимулами, такими как свет и тепло.
-
Генетика и мутации
- В 1971 году Рон Конопка и Сеймур Бензер выявили ген «period» у дрозофилы.
- В 1994 году Джозеф Такахаши обнаружил первую мутацию циркадных часов у мышей.
- В 2017 году Холл, Росбаш и Янг получили Нобелевскую премию за открытие ключевых генов и нейронов циркадной системы дрозофилы.
-
Происхождение и эволюция
- Циркадные ритмы позволяют организмам предвидеть изменения окружающей среды и готовиться к ним.
- Ритмичность важна для регулирования внутренних метаболических процессов и взаимодействия с окружающей средой.
- Происхождение циркадных ритмов остается загадкой, но возможно, они возникли для защиты ДНК от ультрафиолетового излучения.
-
Циркадные ритмы у простейших организмов
- Цианобактерии активно делятся в дневное время
- Циркадные ритмы важны для предотвращения окислительно-восстановительных реакций
-
Циркадные часы у бактерий
- Циркадные часы Synechococcus elongatus восстанавливаются in vitro
- Часы поддерживают 22-часовой ритм после добавления АТФ
-
Циркадные часы у животных
- Дефект в гене «периода» у дрозофилы связан с нарушением сна
- Молекулярные циркадные часы функционируют в пределах одной клетки
- Часы взаимодействуют с эндокринными железами и синхронизируют периферические часы
-
Важность циркадных ритмов для животных
- Циркадная ритмичность важна для режима сна и кормления
- Фотопериодизм важен для растений и животных
- Циркадная система помогает прогнозировать сезонные изменения
-
Последствия нарушения циркадного ритма
- Мутации часовых генов у мышей приводят к ожирению и метаболическим нарушениям
- Неясно, существует ли связь между полиморфизмом часовых генов и метаболическим синдромом у людей
-
Эффект цикла «свет-темнота»
- Животные в темноте функционируют в свободном ритме
- Полностью слепые подземные млекопитающие поддерживают эндогенные часы
- Свободно развивающиеся организмы могут не соответствовать 24-часовому циклу свет-темнота
-
Арктические животные
- Некоторые арктические животные демонстрируют циркадные ритмы только в определенные периоды года
- Дневные суслики и ночные дикобразы строго соблюдают циркадные ритмы
-
Бабочки и мотыльки
- Бабочки-монархи используют солнечный компас с временной компенсацией
- Циркадный ритм регулирует брачное поведение у некоторых видов моли
-
Циркадные ритмы у растений
- Растения синхронизируются с циклом освещенности
- Свет воспринимается фоторецепторами, такими как фитохромы и криптохромы
- Центральный генератор генерирует самоподдерживающийся ритм
-
Циркадные часы растений
- TOC1 регулирует экспрессию CCA1, LHY, PRR7 и 9, GI и ELF4.
- TOC1 подавляет экспрессию генов в утреннем и вечернем циклах.
- Циркадные часы растений представляют собой модель репрессора с тройным отрицательным компонентом.
-
Циркадные ритмы у Arabidopsis thaliana
- Соответствие суточного ритма растения циклам освещения и затемнения положительно влияет на растение.
- Растения с 24-часовым циркадным циклом лучше растут в среде с 24-часовым циклом освещения и затемнения.
- Активность генов, контролирующих уровень хлорофилла, достигает максимума через несколько часов после рассвета.
-
Циркадные ритмы у дрозофилы
- Часовые гены и нейроны у дрозофилы действуют совместно.
- Основной часовой механизм состоит из циклов PER/TIM и CLK/CYC.
- Свет активирует ген cry, разрушая TIM и позволяя активировать гены clk и cyc.
-
Циркадные ритмы у млекопитающих
- Основные циркадные часы у млекопитающих расположены в супрахиазматическом ядре (SCN).
- SCN получает информацию об освещенности через глаза и передает ее в шишковидную железу.
- Мелатонин шишковидной железы влияет на ритмичность SCN.
-
Циркадные ритмы человека
- Естественный человеческий ритм приближается к 24 часам и 11 минутам.
- Женщины имеют немного более короткий циркадный период, чем мужчины.
- Биологические маркеры для измерения времени циркадного ритма включают секрецию мелатонина, минимальную внутреннюю температуру тела и уровень кортизола в плазме крови.
-
Исследование температуры и циркадных ритмов
- Температура тела достигает минимума около 5 утра.
- У молодых людей минимум температуры тела приходится на 4-6 утра.
- Мелатонин отсутствует в организме днем и появляется вечером.
-
Циркадные маркеры и их стабильность
- Снижение уровня мелатонина более надежно, чем прекращение его синтеза.
- Фазовые маркеры мелатонина коррелируют со временем сна лучше, чем минимальная температура тела.
-
Другие физиологические изменения
- Частота сердечных сокращений достигает минимума во время сна и максимума после пробуждения.
- Температура тела не влияет на результаты психологических тестов.
-
Циркадные ритмы в организме
- Циркадные ритмы обнаружены во многих органах и клетках.
- Свет сбрасывает биологические часы, ускоряя или замедляя их.
-
Принудительные циклы сна/бодрствования
- Исследования показывают, что люди не могут приспособиться к ненормальным циклам.
- Протокол принудительной десинхронии позволяет оценить влияние циркадной фазы на сон и бодрствование.
-
Здоровье человека и циркадные ритмы
- Циркадная медицина используется для лечения сердечно-сосудистых заболеваний.
- Хронотерапия повышает эффективность препаратов и снижает их токсичность.
-
Причины нарушения циркадных ритмов
- Внутреннее освещение влияет на циркадные ритмы.
- Синий свет подавляет выработку мелатонина.
- Пилоты авиакомпаний часто испытывают переутомление из-за нарушения циркадных ритмов.
-
Действие лекарств и циркадные ритмы
- Наркотики влияют на циркадный ритм, что может увеличить риск злоупотребления.
- Стабилизация сна и циркадного ритма может снизить уязвимость к зависимости.
-
Последствия нарушения циркадных ритмов
- Нарушение ритма приводит к усталости, дезориентации и бессоннице.
- Нарушение ритмов связано с сердечно-сосудистыми заболеваниями и другими расстройствами.
- Короткий дневной сон может снизить стресс и повысить продуктивность.
-
Связь с сердечно-сосудистыми заболеваниями
- Нарушение циркадных ритмов у тау-хомяков приводит к сердечно-сосудистым заболеваниям и заболеваниям почек.
- У сменных работников повышен уровень биомаркера атеросклероза, резистина, и триацилглицеридов.
- Сменная работа связана с гипертонией.
-
Ожирение и сахарный диабет
- Нарушение циркадного ритма может способствовать метаболическим нарушениям.
- Сменная работа и хроническая смена часовых поясов приводят к изменению чувствительности к инсулину и увеличению массы тела.
-
Когнитивные эффекты
- Нарушение циркадного ритма связано с повышенным уровнем эксплуатационных ошибок и снижением зрительно-моторной работоспособности.
- Хронические работники в ночную смену имеют повышенный риск развития деменции.
-
Общество и культура
- В 2017 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена за открытие молекулярных механизмов циркадного ритма.
- Циркадные ритмы стали примером передачи научных знаний в общественную сферу.