Chociaż elementy zegara okołodobowego mogą różnić się dla poszczególnych organizmów, mechanizmy molekularne leżące u podstaw rytmów okołodobowych są uniwersalne we wszystkich systemach modelowych. U ssaków układ ten składa się z wielu oscylatorów, kierowanych przez centralny stymulator, zlokalizowany w jądrze nadskrzyżowaniowym podwzgórza, połączony z siatkówką za pomocą neuronów, wrażliwy na zmiany poziomu oświetlenia i melatoniny. W jego regulację jest zaangażowanych ponad 20 genów zegarowych. Zsynchronizowane z bodźcami środowiskowymi zegary okołodobowe podlegają regulacji na poziomie genetycznym i epigenetycznym. Badania wykazały, że zegar okołodobowy może oddziaływać na cechy epigenetyczne, w tym metylację genomowego DNA, niekodujący RNA czy modyfikacje histonów, skutkujące ich 24-godzinnymi rytmami – te zmiany mogą bezpośrednio modulować cykliczny system transkrypcji i translacji podstawowych genów okołodobowych. Ten wewnętrzny mechanizm powoduje, że wdrażane są procesy fizjologiczne, molekularne i biochemiczne w odpowiedzi na różnego rodzaju bodźce środowiskowe, takie jak światło czy temperatura otoczenia – czynniki, które bezpośrednio wpływają na adaptację organizmu, obejmującą cykl snu i czuwania, metabolizm energetyczny, szybkość pracy serca czy sekrecję hormonów w zależności od pory dnia lub zmian sezonowych. W tym kontekście istotne znaczenie ma naturalne światło, ponieważ słońce zmienia w ciągu doby zakres swojego promieniowania, z którym zsynchronizowane są procesy fizjologiczne.

Zegar okołodobowy

Zegar okołodobowy to wewnętrzny mechanizm, który odgrywa kluczową rolę w adaptacji organizmów, utrzymaniu przez nie homeostazy oraz równowagi między aktywnością a regeneracją. Rytm okołodobowy podlega synchronizacji z sygnałami środowiska zewnętrznego, które wywołują reakcję organizmu poprzez wysłane przez zegary obwodowe sygnały do różnych tkanek. Poszczególne narządy, takie jak skóra, serce, jajniki, jądra, trzustka, wątroba, tarczyca, charakteryzuje obecność zegarów peryferyjnych, które umożliwiają dostosowanie ich aktywności do pory dnia (natężenia światła). 

Docierające do oczu światło podczas pory, w której naturalnie zapada zmrok, stanowi czynnik stresowy i powoduje, że wydzielanie melatoniny jest zahamowane, a poziom kortyzolu nie może zostać obniżony, co skutkuje przesunięciem faz rytmu okołodobowego. Melatonina to hormon, którego główną funkcją jest wyciszanie organizmu po całym dniu narażenia na różnego rodzaju bodźce i czynniki aktywujące. Receptory dla melatoniny są obecne w każdej komórce ludzkiego organizmu. Jej stężenie osiąga maksymalny poziom od około 2 do 4 w nocy, kiedy organizm powinien się regenerować i odpoczywać. Z kolei kortyzol to hormon mobilizujący organizm do podjęcia aktywności, a jego poziom w ciągu dnia ulega stopniowemu obniżeniu. Kiedy późnym wieczorem lub w nocy do organizmu dociera światło, wówczas stężenie tych hormonów jest zaburzone i dochodzi do niekorzystnych odpowiedzi ze strony układów, w tym nerwowego i odpornościowego.

Do zaburzenia rytmu zegara okołodobowego może przyczynić się wiele czynników, związanych z niezdrowym stylem życia:

* niezbilansowana dieta wysokotłuszczowa, 

* zbyt mała i nieregularna aktywność fizyczna, 

* krótki, płytki i złej jakości sen, 

* przyjmowanie używek (palenie tytoniu, spożywanie alkoholu) i substancji psychoaktywnych, 

* praca zmianowa z ekspozycją na światło podczas nocy. 

Istnieje związek pomiędzy występowaniem chorób układu pokarmowego, takich jak nadwaga, otyłość czy wrzody żołądka, a pracą w systemie zmianowym. U osób, które pracują w nocy, znacznie częściej obserwuje się te dolegliwości, a także problemy ze snem. Wykazują one również większe ryzyko rozwoju cukrzycy oraz ciśnienia tętniczego i choroby niedokrwiennej serca, a u kobiet – predyspozycje do zachorowania na raka piersi. 

Zegar okołodobowy a rozwój chorób

Odkryto istotną korelację pomiędzy zegarem okołodobowym i epigenetyką a rozwojem raka, szczególnie raka piersi, jelita grubego i krwi. Często obserwowano istotne zmiany na poziomie komórkowym, które potencjalnie sprzyjają procesom nowotworzenia, w tym nieprawidłową metylację regionów promotorowych genów okołodobowych i ekspresję miRNA, wpływającą na ekspresję genów okołodobowych. Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem w 2007 r. uznała zaburzenia rytmów okołodobowych i pracę zmianową za czynniki potencjalnie kancerogenne. Zaburzenia i wahania sekrecji melatoniny mogą bowiem wpływać na rozwój raka gruczołu piersiowego, raka jelita grubego, chłoniaków nieziarniczych, a także nowotworów jajników, endometrium oraz prostaty.

Badania wykazały, że różnego rodzaju uszkodzenia skóry goją się znacznie szybciej w ciągu dnia ze względu na wysoką aktywność fibroblastów. Z kolei procesy, na które bezpośrednio wpływa melatonina, będą przebiegały lepiej w nocy, przy ograniczonym dostępie do światła. Melatonina wykazuje także działanie antyoksydacyjne, co oznacza, że chroni komórki i DNA przed uszkodzeniami oksydacyjnymi. Gdy jej aktywność jest regularnie zaburzana, nie może spełniać swojej funkcji, co istotnie zwiększa ryzyko wystąpienia mutacji w organizmie oraz rozwoju nowotworu. Wyniki badań sugerują, że istnieje ścisła korelacja pomiędzy występowaniem nowotworów a poziomem melatoniny – u pacjentów chorujących na raka obserwuje się niższy poziom tego hormonu w porównaniu z osobami zdrowymi. Brak odpowiedniej równowagi pomiędzy aktywnością w ciągu dnia i procesami regeneracyjnymi w nocy powoduje także wzrost ciśnienia i zwiększa ryzyko rozwoju nadciśnienia tętniczego. 

Bardzo ważnym czynnikiem zaangażowanym w regulację rytmu okołodobowego jest sen. W przypadku zbyt krótkiego, płytkiego, przerywanego lub złej jakości snu zegar okołodobowy ulega rozregulowaniu, a tym samym cały organizm nie funkcjonuje prawidłowo. Regularne niewysypianie się może powodować zmiany fizjologiczne i behawioralne, obejmujące: termoregulację (wówczas występuje uczucie zimna), zwiększony apetyt, silne uczucie senności po jedzeniu czy wzmożoną chęć sięgania po słodycze i słone przekąski. Takie reakcje sprzyjają: szybkiemu przyrostowi masy ciała, rozwojowi cukrzycy, hipercholesterolemii oraz zespołu metabolicznego. Odnotowuje się zatem bezpośredni związek pomiędzy złą jakością snu, nadmierną masą ciała i rozwojem chorób cywilizacyjnych.

Jak zachować higienę snu?

Ważnym czynnikiem pomagającym w regulacji rytmu okołodobowego jest przestrzeganie zasad higieny snu. Normalizacja zaburzonego snu to także jeden z kluczowych elementów leczenia depresji oraz innych chorób o podłożu psychicznym. Aby zadbać o jego dobrą jakość, czyli sen trwający od 6 do 8 godzin, nieprzerwany, składający się z poszczególnych faz, w tym bardzo istotnej fazy głębokiej, należy uwzględnić kilka czynników. W sypialni nie powinny znajdować się źródła intensywnych bodźców, np. głośne urządzenia czy przedmioty emitujące ostre światło. Warto wyznaczyć sobie także określone ramy snu i przestrzegać ich, aby organizm mógł przystosować się do konkretnych godzin aktywności i odpoczynku. Ważnym aspektem jest też umiarkowana aktywność fizyczna w ciągu dnia oraz ograniczenie czasu korzystania z urządzeń emitujących światło niebieskie przed snem. Istotne jest wdrożenie zrównoważonej diety, w tym spożywanie śniadań bogatych w tryptofan i witaminę B6. Nie zaleca się przyjmowania kofeiny wieczorem.

Podsumowanie

Rytm okołodobowy wpływa na funkcjonowanie całego organizmu – mechanizmy molekularne oraz reakcje fizjologiczne, biochemiczne i behawioralne, mające na celu adaptację do bodźców środowiskowych. Jego regularne zaburzanie powoduje silne oddziaływanie na pracę całego organizmu, wyzwalając w narządach specyficzne reakcje oraz wpływając na sekrecję poszczególnych związków, w tym ważnych hormonów. Prowadzenie zdrowego stylu życia – przestrzeganie zbilansowanej diety, dbanie o regularną aktywność fizyczną czy suplementacja – mają istotne znaczenie w zachowaniu zdrowego organizmu, jednak mogą być niewystarczające. Kluczowym czynnikiem jest regulacja rytmu dobowego, wpływająca na pracę całego organizmu. Równowagę pomaga zachować: odpowiedniej długości sen (zbyt długi również może mieć niekorzystne konsekwencje), suplementacja witaminą D₃ oraz ograniczanie dostępu do światła sztucznego późną porą.