Kuidas endogeensed bioloogilised rütmid töötavad

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Artikkel on pühendatud ööpäevarütmide tööle - endogeensetele bioloogilistele rütmidele, mille periood on umbes 24 tundi ja mis on iseloomulik enamikule organismidele, sealhulgas inimestele. See on ülevaade viimastest teadusuuringutest, mitte kasulike näpunäidete kogum, kuigi artikkel räägib võimalikust elustiilimuutusest. See ülevaade ei ole ammendav; jätkame selle ajakohastamist, kui ilmnevad uued uuringud.

Peaasi:

→ Järjepidevad ja terved ööpäevased rütmid võivad aidata parandada üldist tervist ja tõhusalt ennetada kroonilisi haigusi.

→ Ärge unustage magada: toitumine, treening ja muud tegurid mõjutavad ööpäevarütmide toimimist.

→ Uurige tsirkadiaanrütmide töö iseärasusi, määrake oma "kronotüüp", seejärel rakendage saadud teadmisi teaduslikes uuringutes näidatud metoodiliste soovituste järgi.

Enne mis tahes selles artiklis toodud nõuannete lisamist oma igapäevasesse rutiini pidage nõu oma tervishoiutöötajaga.

Enne artikli lugemist: lühike sõnastik

1. Tsirkadiaan: looduslikult korduv tsükkel, mille periood kestab umbes 24 tundi, olenemata päevavalgustundide pikkusest; ladina keelest circa ("o") ja diem ("päev").
2. Rütmiandur: keskkonnasignaal, näiteks valguse või temperatuuri muutus; saksakeelsetest sõnadest zeit ("aeg") ja geber ("andja").
3. Endogeenne: patoloogiline protsess kehas, mis on põhjustatud sisemistest teguritest, mitte välismõjudest (alguspõhjus).
4. Ööpäevarütmi kohandamine: tekib siis, kui rütmilised, füsioloogilised või käitumuslikud ülesanded vastavad muutustele keskkonnas; tsirkadiaanrütmide koostoime keskkonnaga.
5. Iga päev: iga päev; ladina keelest dies (päev) ja ja diurnus (igapäev).
6. Põhikell: hüpotalamusest leitud rakupopulatsioonide paar, mida tuntakse ka kui suprachiasmaatilise tuuma (SCN) nime. Need rakud sisaldavad geene, mis kontrollivad ööpäevaseid rütme.
7. Mutantgeen: DNA järjestuse püsiv muutus; kronobioloogid kasutavad seda kella geenide mehhanismi äratundmiseks, tuvastades arütmilise ööpäevase sündroomiga loomadel mutantse geeni.

Kujutage ette, kuidas taim üritab öösel fotosünteesida: lühike draama pimedas. "Taimed tegelevad elu ja surmaga," ütleb Houstoni terviseteaduste keskuse (UTHealth) Texase ülikooli biokeemia ja rakubioloogia dotsent Sally Yu süngelt. "Kui nad ei järgi ööpäevarütme, siis nad surevad." Aga inimese jaoks prognoos nii nukker ei tule. "Isegi kui eemaldate kella geeni (oluline geen, mis reguleerib ööpäevarütmide tööd), ei sure te kohe," ütleb Yu. "Aga sa kannatad." Tõenäolised probleemid? Püsivad psühholoogilised probleemid ja muuhulgas krooniliste haiguste suurenenud risk. Elu on raske, kui kõik on sünkroonist väljas.

Yu kolleeg, sama osakonna dotsent Jake Chen ütleb teisiti: „Me ütleme sageli, et kõik tuleb teha graafikus. Kuid see on liialdus. Kuid fraas "kõigel on oma aeg" seda ei ole. Ja see on otseselt seotud inimkehaga. Igas üksikus rakus, koes või elundis toimuvad füsioloogilised protsessid kindlal ajal. Bioloogiline kell on omamoodi taimer – mehhanism, mille abil saame veenduda, et kõik töötab korralikult. See on põhifunktsioon.”

Chen ja Yu uurivad ööpäevaseid rütme – umbes 24-tunnise perioodiga keha bioloogilisi rütme, mida iga päev järgivad kõik meie planeedi elusloodused. Tsirkadiaanrütmid ehk ööpäevarütmid on otseselt seotud miljonite aastate pikkuse elu arenguga meie planeedil. See on organismi sisemise bioloogilise kella ja keskkonna koosmõju produkt – mitte ainult päikesevalgus, vaid paljud teised tegurid määravad käitumist, reguleerivad hormoonide taset, und, kehatemperatuuri ja ainevahetust.

Niinimetatud "peakell" või suprahiasmaatiline tuum (SCN), ööpäevaseid rütme kontrolliv peakell, on rakupopulatsioonide paar, mis on täidetud geenidega (sealhulgas Clock, Npas2, Bmal, Per1, Per2, Per3, Cry1 ja Cry2), mis asub hüpotalamuses. Molekulaarsel tasemel leitakse kella geeni jälgi neerudes, maksas, kõhunäärmes ja teistes organites. SCN tegutseb tegevjuhina, juhendades keha järgima ajakava ja keskkonnasignaale töötlema. Howard Hughesi meditsiiniinstituut.)

Nagu hiljem näeme, parandab ööpäevarütmidele tähelepanu pööramine organismi igapäevast (füsioloogilist ja psühholoogilist) talitlust ning lõppkokkuvõttes mõjutab ka tervislikku seisundit nii pikemas kui ka lühiajalises perspektiivis. Ööpäevarütmide eest hoolitsemine hoiab need töös, säilitades samal ajal Sally Yu nimetatava "usaldusväärse käekella".

"Ma ei saa kindlalt öelda, kui olulised on ööpäevased rütmid krooniliste haiguste ennetamisel, milline on selle mõju tervisele pikemas perspektiivis, kas see on kasulik ja lõpuks mõjutab oodatavat eluiga."

Teave ekspertide kohta:

Teadlane: Zheng "Jake" Chen

Haridus: PhD, Columbia ülikool, New York

Ametikoht: Houstoni Texase ülikooli terviseteaduste keskuse biokeemia ja rakubioloogia osakonna abiprofessor

Viimati avaldatud artikkel: Väike molekul Nobiletin on suunatud molekulaarsele ostsillaatorile, et tugevdada ööpäevarütme ja kaitsta metaboolse sündroomi eest.

Uurimisvaldkond: kronobioloogia ja meditsiini väikemolekulilised sondid.

Teadlane: Seung Hee "Sally" Yoo

Haridus: PhD, Korea teaduse ja tehnoloogia instituut

Ametikoht: Houstoni Texase ülikooli terviseteaduste keskuse biokeemia ja rakubioloogia osakonna dotsent

Viimati avaldatud artikkel: Period2 3'-UTR ja microRNA-24 reguleerivad ööpäevaseid rütme, pärssides PERIOD2 valkude akumulatsiooni, samuti tsirkadiaansüsteemide väikemolekuliliste modulaatorite areng ja terapeutiline potentsiaal.

Uurimisvaldkond: tsirkadiaanrütmide põhilised rakumehhanismid ning kella füsioloogiliste ja patoloogiliste rollide dešifreerimine.

AJALUGU: Tsirkaadriliste rütmide BIOLOOGILISE ARENGU PEAMISED ETAPID

Esimene asi, mida ööpäevarütmide uurimise kohta teada saada (kronobioloogid teevad seda), on see, et harvade eranditega järgivad kõik organismid oma ööpäevarütme. Alates nartsissidest kuni varblasteni, sebradest kuni inimesteni järgivad peaaegu kõik planeedi elusorganismid päikesetsüklit. 1729. aastal registreeris prantsuse teadlane Jean-Jacques de Meran esimese vaatluse Mimosa pudica taime endogeense või põimitud ööpäevase lehtede liikumise kohta. Ka täielikus pimeduses jätkas taim oma igapäevarütmi järgimist. Teadlane jõudis järeldusele, et taim ei tugine mitte ainult välistele signaalidele või rütmiandurile, vaid ka oma sisemisele bioloogilisele kellale.

Kronobioloogia õitses kakssada aastat hiljem, 20. sajandi keskel. Mõjutatud paljude teadlaste, eriti Colin Pittendry, "bioloogilise kella isa" panusest. Pittendry uuris äädikakärbseid või Drosophilat ja valgustas ööpäevarütmide koostoimet või sünkroniseerimist päeva ja öö tsükliga. Pittendry sõber Jurgen Aschoff uuris ka interaktsiooni päeva ja öö tsükliga, kuid teadlased jõudsid erinevatele järeldustele selle kohta, kuidas interaktsioon toimub (parameetriline ja mitteparameetriline, selle kohta saate lugeda siit ja siit). John Woodland Hastings ja tema kolleegid tegid põhjapanevaid avastusi valguse rolli kohta ööpäevarütmides, uurides bioluminestseeruvaid dinoflagellaate (vetikaid, planktoni liik). Botaanik Erwin Bunnig andis oma panuse ka interaktsioonide modelleerimise alusuuringutesse, kirjeldades seoseid organismide ja piirtsüklite vahel.

Kronobioloogia avastuste järgmine etapp ühendas ööpäevarütmide töö spetsiifilised molekulaarsed ja geneetilised mehhanismid. See tuleneb Ron Konopka ja Seymour Benzeri töödest, kes 1970. aastate alguses püüdsid tuvastada spetsiifilisi geene, mis kontrollivad äädikakärbeste ööpäevaseid rütme. Konopkale ja Benzerile omistatakse muteerunud geeni avastamist, mida nad nimetasid perioodiks, mis häirib äädikakärbeste ööpäevast kella. Nii avastati esmakordselt käitumisrütmide geneetiline determinant. Jeffrey S. Hall, Michael Rosbash ja Michael W. Young on edukalt täiendanud Konopka ja Benzeri tööd, näidates perioodigeeni tööd molekulaarsel tasemel. Hall, Rosbash ja Young said 2017. aastal Nobeli füsioloogia- või meditsiiniauhinna. Nad eraldasid perioodi geeni ja seejärel näitasid, kuidas igapäevane kellasüsteem töötab molekulaarsel tasemel.

1994. aastal puuviljakärbeste ja hiirte uurimisel avastasid Joseph Takahashi ja tema meeskond imetajatel kella geenid ja nimetasid neid kelladeks, kirjeldades neid kui "tsirkadiaanse kella mehhanismi evolutsiooniliselt konserveerunud tunnust". Kellageeni avastamine koos Halli, Rosbashi, Youngi ja teadlase Michael Greenbergi töödega oli kronobioloogias veelahelik hetk. Mõne aastaga avastati geenid, mis tagavad tsirkadiaanrütmide töö madalamates organismides.

Teadus areneb pidevalt ning paljud äädikakärbeste ja hiirtega tehtud uuringud on näidanud kellageenide hämmastavat püsivust liikide sees, mis tähendab, et on olemas sarnased geenid, mis kontrollivad ööpäevarütme keerulisemates organismides, sealhulgas inimestel.

"Päikesetõus ja -loojang on endiselt peamised ööpäevarütme mõjutavad tegurid, kuid teadusuuringutes jälgitakse pidevalt ka teisi tegureid."

VIIMASED UURIMUSED: Tsirkaadiumrütmide ROLLI MÄÄRAMINE INIMESTE TERVISES JA HAIGUSTES

Oluline on märkida, et ööpäevarütmide bioloogia on uskumatult keeruline - sellele uurimisvaldkonnale on pühendatud palju teaduslikke ajakirju. Selle tulemusena on meie arusaam bioloogilise kella rollist inimeste tervises epidemioloogiliste uuringute ja loomkatsete tulemus. Madalamate organismide uuringud aitavad paljastada molekulaarsete ja geneetiliste mehhanismide töö, misjärel on näha, kuidas näiteks unehäired põhjustavad II tüüpi diabeedi, rasvumise ja mitmete südame-veresoonkonna haiguste riski suurenemist.

Tõepoolest, üks paljutõotavamaid uurimisvaldkondi on uni. Teadlased seostavad tänapäeval unepuudust ja sellele järgnenud ööpäevarütmide häirumist rasvumise ja depressiooni, aga ka enamiku krooniliste haiguste tekkega. Uuringud on näidanud, et unepuudus võib põhjustada ootamatuid kõrvalmõjusid, näiteks võimetust nägusid ära tunda.

Ööpäevarütmide toimimise mõistmine on samuti ületanud päeva ja öö tsükliga suhtlemise. "On sotsiaalseid näpunäiteid, toidunäpunäiteid ja harjutusi – need on väga erinevad," ütleb Y. Päikesetõusul ja -loojangul on ööpäevarütmidele endiselt suur mõju, kuid teisi tegureid uuritakse. Suur hulk töid on näidanud, et toitumine on peamine väline signaal, mis interakteerub sisemise kellaga, sealhulgas dr Satchidananda Panda töö dieedi ajastamise piiramiseks (kuidas söömisaeg tervist mõjutab).

Üldiselt on nüüdseks selge, et ööpäevased rütmid mängivad süsteemset rolli inimkeha kõigi füsioloogiliste aspektide töö korraldamisel, sealhulgas elutähtsate organite töö, ainevahetuse, immuunsuse, mõtteprotsesside jne töö korraldamisel. Dr Yu töö laiendab valdkonda. teadusuuringutest - ta teeb koostööd kroonilise valu spetsialistiga, et uurida patsientide valu rütme. Samuti uuritakse katkestustsükli rolli tsirkadiaanrütmide töö häiretes (ajavööndite muutumise mõju vähirakkude kasvule). Sellised uuringud annavad meile olulisi uusi teadmisi, mida saab kasutada elustiili muutmiseks – teadmine, millal süüa ja üldiselt magama minna, on tervise jaoks oluline; ja haigusega saab saadud teadmisi rakendada ööpäevarütmide tööd reguleerivate ravimite otsimisel. Teadlastel on veel teha palju uurimistööd peaaegu kõigis tervise ja haigustega seotud valdkondades.

PÕHIMÕTE: MIKS ON OLULINE TEADA RINGERÜTME?

Teadlikkus ööpäevaste rütmide toimimisest võib avaldada nii lühi- kui ka pikaajalist mõju tervisele. "Elustiili muutused on parim kingitus, mida saate endale teha," ütleb Chen. "Kui juhite oma elustiili, võivad tehnoloogia ja meditsiin muutuda teie elu jooksul teisejärgulisteks teguriteks." Lühiajaliselt näitavad loomade ja inimeste uuringud, et tervislikke ööpäevaseid rütme toetavad elustiilid võivad toetada erksust, motoorset koordinatsiooni, südame-veresoonkonna tervist, immuunfunktsiooni, soolestiku tervist, mõtlemist ja und. On tõendeid, mis toetavad krooniliste haiguste riski pikaajalist vähenemist.

"Elustiili muutuste mõju ei pruugi ilmneda mitu päeva, kuid aja jooksul on sellest kasu tohutu."

Millist elustiili peate juhtima, et sünkroonida oma ööpäevase rütmiga? Esimene asi, mida teha, on pöörata tähelepanu oma biorütmidele. Kuigi ööpäevased rütmid on üles ehitatud samadele alustele, on need vanuse, geneetiliste ja keskkonnaerinevuste tõttu inimestel erinevad. Lõokestele meeldib hommik rohkem. Öökullid eelistavad ööd. Viimaste teadusuuringute teadmiste edukaks rakendamiseks tuleb tähelepanu pöörata oma keha loomulikele kalduvustele (“kronotüübile”). Samuti ei tohi unustada, et pole olemas universaalset lähenemist.

Teine on kinni pidada järjekindlast rutiinsest ajakavast iga päev, seitse päeva nädalas. Dr Yu räägib "jet lagist" (social jet lag) – kui inimesed rikuvad oma ajakava ebatüüpiliste harjumustega, nagu söömine ja hilisem magamaminek, hilisem ärkamine ja erinevatel nädalapäevadel erinevatel aegadel treenimine. Kõik need toimingud võivad viia samade negatiivsete tagajärgedeni kui ajavööndite muutmine. Mida rohkem ja järjekindlamalt režiimi järgite, seda paremini aitab teie keha teid selles.

Kolmandaks – rakendades teadusuuringutest saadud teadmisi – on allpool toodud andmed toitumise, une ja liikumise kohta. Paljud elustiili muutused, mida uuringud on näidanud, hõlmavad muutusi toitumisharjumustes – näiteks söömine on halb mõte enne magamaminekut. See on täis negatiivseid tagajärgi tervisele. Sööge väikseid eineid päeva alguses ja hilja, mida on piisavalt lihtne proovida. Sama kehtib ka une kohta – tuleb järgida režiimi ja magada vähemalt 7-8 tundi. Halvimal juhul tunnete end puhanuna ja parimal juhul parandate oma väljavaateid tervislikuks eluks.

Peaasi: uni, toit ja sport on tervisliku eluviisi aluseks.

UNISTUS

Kõige olulisem, mida teha saad, on säilitada järjepidev une- ja ärkvelolekugraafik ning magada piisavalt – 7-9 tundi und peetakse täiskasvanu jaoks normaalseks. Uuringutulemused unepuuduse ja unehäirete kohta näitavad, et unepuudus ja unehäired mõjutavad negatiivselt meeleolu, keskendumisvõimet ja on seotud krooniliste haigustega. Veelgi enam, mõned teadlased oletavad, et sotsiaalsest ajavahest põhjustatud ööpäevane ebakõla võib olla lääne ühiskonnas laialt levinud ja aidata kaasa terviseprobleemidele.

Mis kell siis magama minna? Tavaliselt hakkab keha melatoniini tootma kell 21.00. See on signaal - peate kõik lõpetama ja minema puhkama. Melatoniini eritumine lõpeb hommikul kella 7.30 paiku ja päeval melatoniini organismis praktiliselt ei ole. Isiklike eelistuste kohandamine oma loomulike kalduvuste põhjal on võtmetähtsusega unehäirete (nt une ajal ärkamine) vältimiseks ja optimaalse tervise säilitamiseks.

Ja lõpuks valgus. Päeva ja öö tsükkel ei ole ainus inimkeha mõjutav tegur, kuna me seisame pidevalt silmitsi kunstliku valgustusega, kuid sellel on siiski esmatähtis roll. Piisava loomuliku valguse saamine varakult ja õhtuti ebaloomuliku valgustuse (nt nutitelefoni ekraani sinise valguse) vältimine aitab hoida teie ööpäevarütme tervena.

Põhipunktid: magage piisavalt ja veenduge, et teie une- ja ärkvelolekuaeg jääks seitsmel päeval nädalas samaks. Kui teil on unepuudus, alustage viivitamatult režiimi taastamist, vastasel juhul võite oma tervist pikemas perspektiivis ohtu seada.

TOITUMINE

Üldiselt näitavad uuringud, et kõrge kalorsusega toite on kõige parem süüa hommikul. Proovige süüa õhtusööki enne magamaminekut ja süüa vähem kaloreid. Kui saad kõik tehtud kella 18.00 või 19.00 paiku ja annad oma kehale 12-14 tundi puhata, näed nii lühi- kui ka pikaajalist kasu tervisele.

Osaliselt on tõsiasi, et teie maksa sisemine kell ei tööta öösel. Maks lõpetab ensüümide tootmise, et muuta kalorid energiaks; selle asemel toodab see ensüüme energia salvestamiseks. Kui sööte palju enne magamaminekut, on teie maks sunnitud ületunde tegema ja säästate rohkem energiat kui kulutate.

Teine oluline otsus, mille saate teha (lisaks tervislikule toitumisele), on igapäevase söögikorra ajastamine. Kuigi andmed on endiselt piiratud, näitavad loomkatsed ja dr Panda tööd, et "ajaliselt piiratud söömine" on lihtne ja potentsiaalselt kasulik elustiili muutus. Optimaalne lahendus sõltub teie eesmärgist. Aga kui eesmärk on parandada üldist tervist, siis on parem alustada 8-9 tunnist. Kuid pikaajalise vastavuse seisukohalt võib olla soovitatav alustada 10–12 tunnist.

Põhipunkt: sööge rohkem päeva jooksul, mitte enne magamaminekut. Tervise parandamiseks alustage söömist 10-12 tunnist.

SPORT

Kuigi mõned uuringud näitavad, et anaeroobne jõudlus saavutab haripunkti pärastlõunal, ei ole ekspertide seas üksmeelt ööpäevase rütmi ja treeningu vahelise seose osas – välja arvatud molekulaarkella olemasolu skeletilihastes.

Ja nagu valgustuse ja söögiaegade mõjul, on ka treeningu ajastusel oluline roll terve ööpäevase rütmi säilitamisel.

Peaasi: treenige regulaarselt ja jätke anaeroobne tegevus pärastlõunaks.

KOKKUVÕTE

Tsirkadiaanrütmide töö uurimine on üsna lihtne."Teie sisemine kell on loodud põletama energiat päeval ja taastama energiat öösel," ütleb Y. Mida parem on ajastus, seda vähem ööpäevakell kulub. Kuigi sisemine kell on stabiilne, võib režiimi pidev häirimine põhjustada pikaajalisi terviseprobleeme.

"Kui me oleme noored, saab keha paljudega hakkama," ütleb Yu. "Kuid see ei tähenda, et kõik oleks korras. See on nagu kütusekulu: kulutate liiga palju energiat arütmilistele tegevustele, mis toob tulevikus kaasa probleeme ööpäevarütmide toimimisega.

Hiline söömine ei lühenda oma eluiga viie aasta võrra, kuid teie kehas on pühendatud tunde, et kaitsta teie tervist ja minimeerida häireid teie füsioloogias. Olge enda vastu lahke ja arvestav ning te näete tulemust.