Сон под микроскопом. Что происходит с нами и мозгом во время сна

Посттрансляционные модификации белков, которые включают процессы, запускающие их деградацию, очень важны на этом этапе, в котором участвует ряд ферментов, присутствующих в транспортных органеллах и цитоплазме. Цикл начинается с того, что белки BMAL1 и CLOCK[53] – одна из двух важных пар белков часовых генов, задействованных в «работе» циркадианного ритма, связываются с участком ДНК, который отвечает за синтез других компонентов, таких как PER и CRY[54] – вторая пара белков часовых генов, – и запускает их транскрипцию. Эта пара PER и CRY, сформировавшись в эндоплазматической сети, затем формирует комплексы, которые транспортируются обратно в ядро и останавливают собственную транскрипцию путем взаимодействия с первой парой BMAL1 и CLOCK. В свою очередь, эти белки запускают и ингибируют[55] транскрипцию множества других генов, которые действуют таким же образом и, как следствие, также регулируются ритмически. Далее, находясь в цитоплазме, PER и CRY постепенно утилизируются и нейтрализуются. Когда их уровень снижается, уменьшается их ингибирующее влияние на BMAL1 и CLOCK, которые получают «зеленый свет» для запуска нового цикла транскрипции PER и CRY и т. д. В последние десятилетия были открыты несколько других вспомогательных циклов, регулирующих главный. Таким образом, сохранение квази-24-часового-ритма поддерживается благодаря взаимодействию множества элементов, которые проявляются в наших дневных ритмах поведения, физиологии, сна и бодрствования.

Первыми и важными исследователями биологических часов считаются американский физик и молекулярный биолог Сеймур Бензер и его ученик, генетик, изучавший хронобиологию, Рональд Конопка. В 1971 году ученые идентифицировали ген, влияющий на циркадианный ритм, назвав его period. А три американских генетика в 2017 году получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине за открытия молекулярных механизмов, управляющих циркадианным ритмом: Майкл Росбаш, Джеффри Холл и Майкл Янг[56]. В 1994 году группа под руководством Джозефа Такахаши открыла у лабораторных мышей ген cloсk, который играет центральную роль в их биоритмах. Это стало свидетельством того, что механизм биологических часов устроен по одному и тому же принципу у многих, если не у всех, живых организмов.

Точность биологических часов

Впоследствии было также доказано, что молекулярные биологические часы присутствуют в каждой клетке организма и многие внутриклеточные процессы определяются временем в каждый данный момент. Днем, например, активизируются процессы синтеза и накопления метаболических ресурсов, а ночью – их употребления. Живые организмы обладают феноменальной способностью «рассчитывать» приход и расход энергетических субстратов. Как мы уже упоминали, недавно ученые выяснили, что темпы расщепления крахмала ночью, когда фотосинтеза не происходит, в точности рассчитаны так, чтобы продержаться до утра, когда появится первая возможность восполнить запасы. С другой стороны, опыты с мутированием генов, которые формируют отрицательную обратную связь транскрипции и трансляции, показали, что часы можно замедлить или ускорить, но нарушение их хода не обходится без последствий. Известно, что мыши, у которых нарушено производство белка BMAL1, не только потеряны во времени (по крайней мере, если их содержать в условиях постоянного освещения или в темноте), но и страдают метаболическими нарушениями. Подобным же образом хронический джетлаг или работа в ночную смену, неизбежно нарушающие биологические ритмы, влекут за собой целый ряд сердечно-сосудистых заболеваний и нарушения обмена веществ. Так, наличие биоритмов и точное функционирование биочасов максимально способствует выживанию в предсказуемом мире. Однако в цену этого качества заложены трудности или даже невозможность приспособиться к непредсказуемым изменениям.

Другой основополагающий принцип внутренних биологических часов – их синхронизация с вращением Земли. Как любят говорить хронобиологи: в чем смысл часов, если они не показывают правильное время? Главный сигнал, который сообщает о внешнем времени, – это уровень освещения. Свет, падающий на сетчатку глаза, активирует фоторецепторы, которые передают сигнал в так называемое супрахиазматическое ядро гипоталамуса, находящееся в обоих полушариях прямо над пересечением зрительного нерва. Супрахиазматическое ядро – главная анатомическая структура мозга, ответственная за получение световой информации (именно сюда и поступает первый и главный поток информации извне) и передачу этой информации всем остальным органам и клеткам организма, которые не получают свет непосредственно.

Наличие биоритмов и точное функционирование биочасов максимально способствуют выживанию в предсказуемом мире.