Биологические процессы в организме в целом и в каждой его клетке происходят циклически, в зависимости от времени суток. Такой ритм периодически повторяющихся процессов называется циркадным ритмом, от слова circulus – круг, то есть круговым ритмом. Появляется естественный вопрос, почему процессы в организмы циклически чередуются во времени, для чего это нужно и как это регулируется.
Биологические циркадные ритмы формировались в природе в ходе эволюции от простейших одноклеточных организмов до животных и человека в связи с необходимостью защиты генома для сохранения вида. Фактически, это результат адаптации к изменяющимся условиям внешней среды.
Миллионы лет отрабатывались механизмы защиты ДНК от повреждений в активное время суток – УФ излучение, изнуряющие нагрузки при добывании пищи, конкурентная межвидовая борьба. И наоборот – репарация ДНК, восстановление сил, накопление энергии, синтез необходимых белков в ночное время.
Циркадный ритм подстроен под смену дня и ночи. Его нарушение проявляется усталостью, недомоганием, нарушением сна, обострением или даже возникновением заболеваний, является причиной ускоренного старения. Циркадные ритмы организма поддерживаются на двух уровнях.
Центральный уровень – это внутренние «часы» мозга, которые реагируют на сигналы внешней среды, в частности, на изменение освещенности. С сетчатки глаза сигнал передается в гипоталамус, а далее в эпифиз, где происходит синтез гормонов, регулирующих периоды сна и бодрствования в зависимости от времени суток.
Периферический уровень, где разные органы тела связаны с центральными «часами» мозга, но обладают своей ритмичностью. При этом каждая клетка имеет собственный часовой молекулярный механизм, закрепленный генетически и работающий автономно. В каждой клетке имеются две пары часовых генов Bmal и Clock – вечерние гены, Per и Cry – утренние гены. Попеременная активация этих генов определяет особенности функционирования клетки в зависимости от времени суток.
Помимо часовых генов, в клетке более 3000 генов, подчиняющихся циркадному ритму, но не участвующих в его регуляции – это метаболические гены. Они различаются для разных тканей, отвечают за специфическую работу органов и определяют метаболические процессы, характерные для конкретного органа. Эти гены регулируют: обмен белков, жиров и углеводов; энергетические процессы; антиоксидантную защиту; клеточный цикл; репарацию ДНК; дифференцировку клеток; аутофагию; восстановительные процессы и ранозаживление. Практически все биологические процессы в клетках тесно связаны с циркадным ритмом.
Циркадный механизм клетки работает по принципу связи двух пар генов –Bmal/Clock и Per/Cry. В вечернее время происходит активация генов Bmal и Clock и начинается синтез белков BMAL и CLOCK, которые с течением времени накапливаются в цитоплазме, а затем активируют утренние гены Per и Cry. Это приводит к синтезу в дневное время соответствующих белков PER и CRY, а они, в свою очередь, инактивируют белки BMAL и CLOCK. Затем постепенно пара PER и CRY разрушается, в результате снимается блок с белков BMAL и CLOCK и круговой цикл повторяется.
На активность генов Bmal и Clock и белков BMAL и CLOCK могут влиять на сопряженные с ними белок Sirt1 (сиртуин), REV ERB (ядерный рецептор транскрипции часовых генов), ROR (ядерный ретиноидный рецептор) и его лиганды – мелатонин, витамины Д, А, некоторые стеролы и жирные кислоты.
Таким образом, две пары указанных генов представляют собой саморегулирующуюся систему клетки, но при этом воспринимают сигналы мозга и сами дают обратную связь.
Каждая живая клетка имеет свой собственный часовой механизм, работающий автономно. В клеточной культуре, отделенной от живого организма, клетки работают вначале синхронно, согласованно, но с течением времени в клетках несколько изменяется период цикла, уменьшается амплитуда циклических колебаний, нарушается единый ритм и происходит разбалансировка.
Для согласованной работы органов и организма в целом нужен центральный водитель ритма. Посредником между центральным водителем ритма – мозгом и отдельными органами выступает гормон эпифиза мелатонин. Именно он передает координирующий циркадный сигнал периферическим органам.
Синхронизация клеточного ритма при участии мелатонина может происходить двумя способами: путем блокирования Sirt1, что приводит к активизации белка BMAL и запуску циркадного цикла, или через ядерные ретиноидные рецепторы, лигандом которых является мелатонин, что влияет на активность гена Bmal.
Мелатонин – это особая молекула, выполняющая множество функций на уровне клеток и организма в целом. На уровне ЦНС мелатонин влияет на поведение, память и обучение. В организме мелатонин регулирует периоды сна и бодрствования.
Основная часть мелатонина – около 80% синтезируется ночью в эпифизе. Это происходит в темное время суток и максимум приходится ориентировочно на 2 часа ночи. Мелатонин сразу поступает в кровь. Его ночная концентрация в крови здорового человека приблизительно в 30 раз превышает дневную концентрацию. Для хорошего сна и полноценного восстановления ночью нужна высокая пиковая концентрация мелатонина. Подавляющее действие на синтез мелатонина оказывает свет – яркое ночное освещение городов, голубое свечение экранов компьютеров и телеэкранов, голубой спектр искусственного освещения в помещениях. Работа в ночное время приводит к дефициту мелатонина ночью и, как следствие, к нарушению сна и сбою циркадного ритма. Организм не получает полноценного отдыха и не успевает восстановиться за ночь. В результате возникает ощущение усталости, недомогание, слабость. Это, в том числе, негативно отражается на состоянии кожи, а при длительных нарушениях режима сна приводит к преждевременному старению.
На клеточном уровне, кроме синхронизации ритма, мелатонин проявляет мощные антиоксидантные свойства. Основная направленность антиоксидантного действия мелатонина – это защита ДНК. 20% мелатонина синтезируется в периферических органах. Кожа как внешний орган в первую очередь подвержена УФ облучению. Она содержит ферменты и вещества, необходимые для синтеза мелатонина. Под действием УФ облучения увеличивается синтез мелатонина в клетках кожи и усиливается мелатониновая антиоксидантная система, включающая:
• нейтрализацию ROS – активных форм кислорода, при этом мелатонин более активен, чем витамин Д и С и способен проникать через мембраны для защиты ДНК и митохондрий. Это снижает степень их повреждения под действием УФ;
• активизацию ферментов СОД и каталазы;
• регуляцию апоптоза клеток, вызванного УФ облучением;
«Основной эффект мелатонина – увеличение выживших клеток при УФ облучении и подавление стресс-индуцированного ускоренного деления клеток. Таким образом, мелатонин задействован в пролиферации кератиноцитов и сохранении жизнедеятельности кератиноцитов и фибробластов» (А. Прокопов, З. Газитаева LNE, 2018)
Существенную роль в циркадной динамике играет витамин Д. Он синтезируется в коже в циркадном ритме под действием УФ излучения. Именно в кератиноцитах происходит превращение провитамина Д – 7дегидрохолестерола в активную форму кальцийтриол, который участвует в активизации более 1000 различных генов, в том числе усиливает антиоксидантную защиту и выработку белков теплового шока HSP, стимулирует аутофагию, участвует в регуляции клеточного цикла. Кроме того, витамин Д, выступая лигандом активатора транскрипции гена Bmal, поддерживает циркадный ритм клеток.
Существует группа веществ, клеточных медиаторов – мелатонин, витамины Д и А и другие вещества, которые одновременно синхронизируют циркадный ритм и защищают кожу от окислительного стресса. «Тем самым эти вещества обеспечивают максимально комфортные условия жизнедеятельности клеток кожи в разные фазы суточного цикла». (А. Прокопов, З. Газитаева LNE, 2018)
Использование таких веществ в косметике или активных компонентов, стимулирующих их синтез клетками кожи, может поддержать генетически закрепленные циркадные процессы в коже и защитить ее от преждевременного старения.
Разработчики ARKADIA создали серию Neuro ритмы. В серии три средства: дневной крем Neuro WoW, концентрат Neuro Life и ночной крем Neuro Dream, которые включают в себя все необходимые активы, настраивающие циркадный ритм и защищающие от негативных последствий УФ облучения.
КХН Е.В. Коробкова
