Циркадные ритмы: важные циклические процессы в организме человека
Для любой биологической системы лучше заранее приготовиться к изменениям, чем отреагировать на то, что уже произошло
В 2017 году Нобелевская премия в области физиологии и медицины была присуждена «За открытие молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы». В 2016 году Нобелевская премия была вручена за исследование процесса аутофагии — фундаментального механизма самоочищения клеточного пространства. Эти два открытия тесно связаны между собой, имеют колоссальное значение в медицине, но они могут быть практически использованы и в косметологии.
Елена Галахина, врач-дерматолог высшей категории, косметолог, научный консультант компании «Роза Граф» (Германия)
История открытия биоритмов
Наша планета имеет циклически устойчивые смены фотопериодов — годового и суточного. Эта периодичность существует миллионы лет и привела к появлению механизма, контролирующего изменения в организме, происходящие при изменениях условий освещенности в течение суток. Таким образом, у организмов появились обусловленные генетической программой «биологические часы», которые определяют ритмы биохимической, физиологической и поведенческой активности всего живого на земле.
Еще в 1880 году Чарльз Дарвин предположил наследственную природу суточных — циркадианных (или циркадных, ЦР) ритмов живых организмов. В последующем были открыты около 15 основных генов, которые контролировали подстраивание собственных белков организма под суточный ритм. Основной смысл циркадных ритмов — это изменение процессов жизнедеятельности организма к заведомо известным ритмическим изменениям внешней среды. Для любой биологической системы лучше заранее приготовиться к изменениям, чем отреагировать на то, что уже произошло.
Биоритмы: определение, классификация
Биологические ритмы — это стабильно повторяющиеся изменения активности реакции организма, в основе которых находятся циклически изменяющиеся процессы в результате воздействия экзо- и эндогенных факторов.
К экзогенным, постоянно повторяющимся факторам, к которым привык организм человека, относят свет, питание, а в современном мире — еще и социальные факторы.
В ответ на экзогенные факторы в организме человека возникают эндогенные факторы, которые и контролируют всю жизнедеятельность всех систем, органов, клеток живого организма. Происходит формирование собственных внутренних биологических ритмов.
Существует несколько видов классификации биоритмов.
● Классификация биологических ритмов, основанная на уровне организации: клеточные (молекулярные); тканевые и/или органные; организменные; популяционные.
● Классификация биоритмов по периодичности повторения: макроритмы (период от 20 дней до 1 года) и метаритмы (период 10 лет и больше).
В жизни человека постоянно присутствуют два основных ритма — циркадианный (ЦР), или околосуточный, и диурнальный (полуторочасовой, определяет чередование сонливости и бодрствования, голода и жажды — днем, а ночью — смену фаз медленного и парадоксального сна). Еще очень важный для человека ритм — циркунальный (окологодовой).
Циркадианные (ЦР) ритмы человека
Циркадианный, или околосуточный ритм — это эндогенный ритм, связанный с циклическим изменением освещенности в течение суток с периодом около 24 часов. ЦР — это, в первую очередь, свойство изменяться отдельной клетки и только потом, как следствие, изменения всех клеток. Эти процессы активируются в строго определенное время благодаря цикличной смене активности определенных генов и соответствующих им белков.
В контроле за нисходящими циркадианными сигналами активное участие принимают мелатонин, инсулин, глюкокортикоиды. Суточным колебаниям подвержены все функции организма. Циркадная система человека существует на генетическом уровне в каждой клетке и при этом четко подчиняется центральному «водителю» ритма, которым является СХЯ (супрахиазмальное ядро) гипоталамуса головного мозга.
Циркадианный ритм, окислительный стресс и клеточный цикл
ЦР активно влияет на окислительный потенциал клеток через уравновешивание процесса окисления и антиоксидантной защиты. ЦР, генетически обусловленный, контролирует циклическое изменение антиоксидантной системы в клетке как защиту от циклических же изменений окислительных процессов и наоборот. Лабораторно доказано, что антиоксидантный статус с возрастом угасает, и это приводит к развитию высокой активности окислительного стресса и ускорению процесса старения. Важным для кожи является окислительный стресс в результате нарушения биоритмов, вызванных местными факторами, например, УФО. Минимальное УФО-повреждение кожи происходит утром, максимальное — вечером, так как самая высокая активность антиоксидантной системы, запрограммированной ЦР, приходится на раннее утро и первую половину дня.
Клеточный цикл — это период существования клетки от ее образования до деления. Он состоит из 4 последовательных стадий, каждая контролируется очень строго и управляется так называемыми циклинами. В коже основное деление клеток происходит ночью, репарация ДНК — ранним утром, а репликация ДНК и максимально высокая антиоксидантная защита — в первую половину дня. Кроме того в дневной период времени активируется дополнительная защита в виде синтеза меланина и и урокановой кислоты. Таким образом, циркадианный ритм присутствует во всех основных стадиях жизни клеток, что говорит об его огромной важности для всех биологических систем.
Научно доказана тесная связь старения кожи с нарушением околосуточного ритма центрального генеза, который может происходить при дезорганизации сна, посменной работе в ночной период, искусственном освещении, суточном режиме бодрствования и т.д. Нарушение ЦР в коже приводит к снижению разнообразия микробиоты, так как взаимодействие кожи с микробиотой носит циклический, околосуточный характер. Голодание в ранний период активности (утром) может привести в результате рассогласования ЦР и метаболизма к развитию ожирения. А богатая углеводами еда на ночь резко снижает пик синтеза мелатонина.
Циркадианные ритмы очень чувствительны к алкоголю, многим лекарствам как на уровне центрального «водителя» ритма СХЯ, так и на уровне клеток.
Циркадианные ритмы и кожа
Кожа — это не просто барьерная структура, она принимает самое активное участие в поддержании гомеостаза всего организма. Кожа, кроме центрального «водителя» ЦР, имеет собственный «водитель» ЦР, который формируется в ранний постнатальный период. Кроме того кожа постоянно подвергается активному воздействию агрессивных факторов внешней среды. Они имеют суточный цикл, и это влияет на суточный цикл кожи и клеток.
В циркадианном ритме кожи участвуют уровень содержания воды, ТЭПВ, синтез липидов и кожного сала, рН, температура, деление кератиноцитов, удвоение ДНК, синтез антиоксидантов, кровоснабжение, эффективность эпидермального барьера, болевая чувствительность, склонность к аллергическим реакциям, даже выраженность папиллярного рисунка. Основные клетки кожи — кератиноциты, фибробласты, меланоциты — функционируют в определенных ЦР, которые могут иметь и общие, и собственные ЦР. Интересно, что в клетках кожи гены, которые участвуют в ЦР, способны менять свою активность в зависимости от приема пищи. На фоне ночных перекусов резко снижается активность деления клеток базального слоя эпидермиса.
Заслуживает внимания факт сохранения циркадного цикла как важного фактора пролонгации анагена (фазы роста волоса). Нарушение синтеза контролирующих ЦР белков приводит к невозможности запустить анаген. Наличие ЦР в каждой клетке дермы не отрицается, его нарушение приводит к ускоренному старению дермы. Потеря ЦР имеет катастрофические, разноплановые последствия для клетки.
О циркадных ритмах в косметологии, их возможном влиянии на эффективность результаты терапии — в продолжении статьи.
Впервые опубликовано в журнале «Косметолог» №1, 2020