Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Наглядно о ненаглядном» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

---

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

---

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Сон — основа здоровья каждого человека. Во время сна происходят восстановительные процессы во всем организме [1]. Например, в период сна интенсивно синтезируется белок коллаген, придающий прочность и эластичность коже. Благодаря сну активизируются дополнительные иммунные клетки T-киллеры, защищающие организм от вирусов и патогенных бактерий и способствующие быстрому выздоровлению [2].

Известно, что когда организм спит, мозг продолжает работать. В нем происходит переработка дневной информации. В процессе сна повышается количество соматотропного гормона (СТГ), или гормона роста, который отвечает за рост и обновление клеток всего организма [3].

На качество сна огромное влияние оказывают внутренние факторы. Например, стрессовые ситуации, характер работы (учебы). В научной работе Алексанина С.С. и Ремизевича Р.С. выявлено, что у обследованных военнослужащих общая продолжительность сна снижалась на 53%, а 42% не были удовлетворены сном (не высыпались). Работа в закрытом коллективе с жестко регламентированными нормами поведения вызывала тревожные расстройства и нарушения сна, приводя к социально-психологическим нарушениям (конфликтность, повышенная агрессивность, замкнутость) [4].

Одним из внешних факторов, влияющих на процесс сна, является микроклимат помещения: температура, наличие кислорода, влажность и освещение. По межгосударственному стандарту (ГОСТ 30494-2011) в жилой комнате должны соблюдаться следующие показатели [5]:

• температура воздуха: 20–22 °C;
• относительная влажность: 45–30%;
• скорость движения воздуха: 0,15 м/с.

Если температура в комнате выше или ниже нормы, качество сна ухудшается [ 6].

Помешает выспаться не только жара или холод, но и свет. Почему же так важно отсутствие искусственного источника света во время сна? Для этого необходимо посмотреть на мозг человека. В его глубинах скрыт эпифиз (пинеальная железа, или шишковидное тело, corpus pineale) — основная часть фотоэндокринной системы, гормоны которой регулируют функции других органов, зависящие от световых раздражений [7].

Клетки эпифиза — пинеалоциты — синтезируют около 40 биологически активных веществ (БАВ), среди которых выделяют нейроамины, серотонин и мелатонин. Для объяснения роли источника света в процессе сна нам необходим мелатонин. Мелатонин (N-ацетил-5-метокситриптамин) представляет собой соединение, образующееся не только в клетках эпифиза, но и в сетчатке глаза, железе Гардерова (железе мигательной перепонки, встречающаяся у вторично-водных позвоночных и наземных представителей, кроме приматов и человека), костном мозге, коже и в других органах. Поэтому мелатонин не является гормоном в классическом смысле — он способен синтезироваться в различных органах и не действовать на конкретный орган-мишень [8].

Мелатонин участвует в регуляции многих физиологических процессов, а именно цикла «сон—бодрствование», циркадианных ритмов, иммунологических реакций, контролирует рост новообразований, нейтрализует свободные радикалы [9]. При этом мелатонин способен одновременно активировать и подавлять функции разных клеток и органов [10]. В исследовании, опубликованном в Journal of Biological Regulators and Homeostatic Agents (1995 г.), ученые использовали в качестве лечебного препарата экзогенный (синтетический) мелатонин совместно с интерлейкином-2 (разновидность цитокинов), давая их на ночь 11 пациентам, больным СПИДом, у которых количество Т-хелперов (клеток иммунной системы) снизилось до 200 и меньше (норма — 40–60%). После трех недель терапии количество Т-хелперов увеличилось на 30%, повысилось количество других иммунных клеток (эозинофилов, Т-лимфоцитов, естественных клеток-киллеров). Ученые предположили, что добавление мелатонина может быть эффективной иммуностимулирующей терапией для пациентов со СПИДом, не реагирующих на один интерлейкин-2 (ИЛ-2) [11].

Известно, что мелатонин угнетает секрецию гонадотропинов (половых гормонов). В конце XIX в. немецкий педиатр О. Хюбнер исследовал пациента с преждевременным половым созреванием. При посмертном вскрытии врач обнаружил опухоль в эпифизе, которая препятствовала выработке мелатонина [12].

Как мелатонин зависит от света? Для этого необходимо изучить цикл сна—бодрствования. Он является примером циркадианного ритма (в пер. с лат. — «вокруг дня») — биологического ритма с периодом около 24 часов. Циркадианный ритм необходим для адаптации организма к окружающей среде [13]. Формирование циркадианных ритмов обеспечивается при участии внутренних факторов, включая работу своеобразных внутренних «часов» — циркадианных пейсмекеров. Основным циркадианным пейсмекером у млекопитающих является супрахиазматическое ядро (СХЯ), расположенное в переднем отделе гипоталамуса [14].

Наиболее изученным внешним стимулом, получаемым супрахиазматическим ядром, являются световые импульсы. Свет воздействует на фоточувствительные клетки сетчатки глаза, через ретиногипоталамический тракт (РГТ) информация об освещенности достигает супрахиазматического ядра [15]. В темноте нейроны супрахиазматического ядра воздействуют на паравентрикулярное ядро гипоталамуса (ПВЯ), который отправляет сигналы к нейронам верхнего шейного ганглия (СКГ), а он в свою очередь воздействует на ту самую шишковидную железу (эпифиз), выделяющую мелатонин. Нейроны верхнего шейного ганглия выделяют медиатор-норадреналин, стимулирующий работу эпифиза и усиливающий выработку мелатонина. Когда светло, нейроны супрахиазматического ядра ингибируют нейроны паравентрикулярного ядра, отвечающего за регуляцию эпифиза. Таким образом, свет тормозит секрецию мелатонина, а его отсутствие — усиливает [16].

Как же происходит выработка мелатонина? У здоровых людей мелатонин начинает вырабатываться между 20:00 и 22:00, достигая пика между 00:00 и 03:00 [8]. Мелатонин синтезируется из незаменимой для человека аминокислоты триптофана. В эпифизе под действием ферментов триптофангидроксилазы и 5-окситриптофандекарбоксилазы триптофан преобразуется в серотонин. Далее из серотонина с помощью ферментов N-ацетилтрансферазы (NAT) и оксииндол-О-метилтрансферазы (HIOMT) образуется мелатонин. В низких концентрациях он поступает в кровеносное русло, в более высоких — в спинномозговую жидкость (ликвор). Через кровоток мелатонин достигает периферических клеток-мишеней, а через ликвор — поступает к рецепторам мозга. В крови мелатонин связывается с альбумином, который защищает мелатонин от быстрого распада [16], [17]. Ночью пиковые уровни мелатонина колеблются от 100 до 200 пг/мл. После этого его синтез постепенно снижается, оставаясь очень низким в течение дня — от 10 до 30 пг/мл [8]. Период полураспада мелатонина в организме составляет 30–50 мин. В печени мелатонин окисляется ферментами, связанными с белком Р-450 (группа ферментов, участвующих в окислении различных соединений), и выводится из организма [16], [17].

Как мелатонин влияет на качество сна и на организм в целом? Если засыпать с включенным светом (ночник, лампа, огни наружной рекламы), мелатонин не вырабатывается даже у молодых людей. По мере старения образование мелатонина снижается, это связано с обызвествлением (отложением солей кальция) в пинеалоцитах эпифиза. Этот процесс получил условное название «меланопауза». Уменьшение выработки мелатонина и нарушение в системе «сон—бодрствование» обычно приводит к бессоннице (инсомнии) [18]. Среди других нарушений сна выделяют опережение фазы сна, нерегулярный ритм и несинхронизированные ритмы сна—бодрствования [19].

Мелатонин обладает множественным эффектом и способен улучшать память, настроение, трудовую способность и стрессоустойчивость. Уменьшение выработки мелатонина приведет к ухудшению всех этих функций. Мелатонин снижает концентрацию глюкозы и повышает уровень инсулина в крови, а дефицит гормона приводит к ожирению и инсулинорезистентности [20]. Такое действие мелатонина объясняется тем, что он регулирует экспрессию генов белков GLUT4 (основных внутриклеточных переносчиков глюкозы) и активирует G-белковый мембранный рецептор, отвечающий за работу инсулинового рецептора [17]. Мелатонин усиливает выработку энергии в митохондриях и ускоряет процессы метаболизма, снижая риск ожирения. Мелатонин нейтрализует активные формы кислорода и приводит в норму антиоксидантный баланс в бета-клетках поджелудочной железы, защищая их от окислительного стресса и снижая частоту диабетических осложнений и сердечно-сосудистых заболеваний [21].

Совместно с тестостероном и витамином D мелатонин оказывает анаболическое действие на мышечную ткань, уменьшая вероятность развития саркопении (потери мышечной массы и силы у пожилых людей) [22].

Таким образом, мелатонин — это уникальное соединение, обладающее разносторонними метаболическими эффектами. Синтез мелатонина происходит во время сна при отсутствии источников света. Мелатонин улучшает качество сна, нормализует ритм сна—бодрствования и оказывает влияние на многие функции организма. Можно сказать, что мелатонин действует по принципу обратной связи: для сна нужен мелатонин, а для мелатонина нужен сон.

Перед сном задумайтесь о том, как важно спать в темноте.

Литература

1. Грибакин С.Г. (2010). Значение сна для развития ребенка. «Педиатрия. Журнал им. Г.Н. Сперанского». 1, 103–108;
2. Чечик Н., Рушкевич Ю., Абельская И., Лихачев С. (2017). Физиологические аспекты сна. «Наука и инновации». 178, 4–8;
3. Болезни нервной системы: руководство для врачей (т. 2) / Н.Н. Яхно и Д.Р. Штульмана. М.: «Медицина», 2001. — 480 с.;
4. Алексанин С.С. и Ремизевич Р.С. (2012). Феноменологические особенности инсомнических нарушений при генерализованном тревожном расстройстве у военнослужащих молодого возраста. «Медико-биологические и социально-психологические проблемы безопасности в чрезвычайных ситуациях». 4, 27–32;
5. Межгосударственный стандарт «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» (ГОСТ 30494-2011). М.: «Стандартинформ», 2019;
6. Спешилова М.Е., Болурова Р.А., Костыгина С.А. (2019). Влияние микроклимата помещения на качество сна. FORCIPE. 355–356;
7. Барсуков Н.П. и Захаркова А.Н. (2016). Что мы знаем об эпифизе? «Крымский журнал экспериментальной и клинической медицины». 3, 151–154;
8. J.J. Poza, M. Pujol, J.J. Ortega-Albás, O. Romero. (2018). Melatonina en los trastornos de sueño. Neurología;
9. Датиева В.К., Ляшенко Е.А., Левин О.С. (2015). Применение мелатонина при нарушении сна. «Современная терапия в психиатрии и неврологии». 1, 36–40;
10. Каленская Е.А. (2014). Влияние мелатонина на иммунную систему. «Интернист»;
11. Gonzalez G. (1997). New studies on melatonin. Life Extension Magazine;
12. J. Cipolla-Neto, F. G. Amaral, S. C. Afeche, D. X. Tan, R. J. Reiter. (2014). Melatonin, energy metabolism, and obesity: a review. J. Pineal Res.. 56, 371-381;
13. Foster R. (2016). Circadian rhythm. Serious Science;
14. Кельмансон И.А. (2015). Хронопатологические аспекты расстройств сна и когнитивных функций у детей с нарушениями зрения. «Российский вестник перинатологии и педиатрии». 5, 42–50;
15. Marcia Barinaga. (2002). CIRCADIAN CLOCK: How the Brain's Clock Gets Daily Enlightenment. Science. 295, 955-957;
16. Анисимов В.Н., Кветной И.М., Комаров Ф.И., Малиновская Н.К., Рапопорт С.И. Мелатонин в физиологии и патологии желудочно-кишечного тракта. М.: «Советский спорт», 2000. — 184 с.;
17. J. Cipolla-Neto, F. G. Amaral, S. C. Afeche, D. X. Tan, R. J. Reiter. (2014). Melatonin, energy metabolism, and obesity: a review. J. Pineal Res.. 56, 371-381;
18. M. Karasek. (2004). Melatonin, human aging, and age-related diseases. Experimental Gerontology. 39, 1723-1729;
19. Кельмансон И.А. (2015). Экологические и клинико-биологические аспекты нарушений циркадианных ритмов сон-бодрствование у детей и подростков. «Биосфера». 1, 131–145;
20. Тюзиков И.А., Калинченко С.Ю., Ворслов Л.О., Тишова Ю.А. (2015). Дефицит мелатонина как причина гормонально-метаболических нарушений у мужчин. «Эффективная фармакотерапия. Урология и нефрология». 27, 48–55;
21. Doddigarla Zephy, Jamal Ahmad. (2015). Type 2 diabetes mellitus: Role of melatonin and oxidative stress. Diabetes & Metabolic Syndrome: Clinical Research & Reviews. 9, 127-131;
22. Jee-Yon Lee, Jung-Ha Kim, Duk-Chul Lee. (2014). Urine melatonin levels are inversely associated with sarcopenia in postmenopausal women. Menopause. 21, 39-44.