Was ist der zirkadiane Rhythmus?

Das Leben hat sich so entwickelt, dass es in den spezifischen Umwelteigenschaften der Erde gedeiht, von denen der Zyklus von Sonnenlicht und Nacht besonders weit verbreitet ist. Daher werden natürlich alle lebenden Organismen stark von diesem Zyklus beeinflusst. Menschen sind keine Ausnahme.

Das offensichtlichste Beispiel für den Einfluss des Dunkel-Licht-Zyklus auf unser Leben ist der Schlaf. Es gibt aber auch viele andere Verhaltensweisen und biologische Funktionen, die einem ähnlichen Rhythmus folgen, wie zum Beispiel die Nahrungsaufnahme, der Stoffwechsel  und der Blutdruck.

Tatsächlich weisen die meisten, wenn nicht alle Körperfunktionen einen gewissen Tag-Nacht-Rhythmus auf. Diese 24-Stunden-Zyklen in Biologie und Verhalten werden zirkadiane Rhythmen genannt (von lateinisch „circa“ = ungefähr und „dies“ = Tag).

In diesem Artikel lernen wir das physiologische System kennen, das zirkadiane Rhythmen erzeugt und mit unserem Hell-Dunkel-Zyklus in der Umgebung synchronisiert: das zirkadiane Timing-System.

Was ist das zirkadiane Timing-System?

Das zirkadiane Zeitsystem ist der intrinsische Zeitmessmechanismus unseres Körpers. Es ist das, was wir normalerweise die biologische Uhr nennen: die Uhr, die den Rhythmus zeitabhängiger biologischer Prozesse steuert. Die Wissenschaft, die diese Prozesse untersucht, nennt sich Chronobiologie.

So wie wir Tages- (Wachheit, Aktivität, Nahrungsaufnahme) und Nachtverhalten (Schlaf, Ruhe, Fasten) haben, haben auch die Zellen und Systeme im Körper einen „biologischen Tag“ und eine „biologische Nacht “.

Das zirkadiane Zeitsystem ist der biologische Schrittmacher, der endokrine und metabolische Rhythmen reguliert , um ein kohärentes Muster der Zellaktivität zu etablieren. Die biologische Uhr koordiniert voneinander abhängige Wege und Funktionen, trennt zeitlich inkompatible Wege und Funktionen und synchronisiert unsere Biologie und unser Verhalten mit der Umwelt.

Während des biologischen Tages versetzt das zirkadiane Zeitsystem den Stoffwechsel in einen Zustand der Energieproduktion und Energiespeicherung, um die Wachheit zu fördern und körperliche Aktivität und Nahrungsaufnahme zu unterstützen. Dies geschieht durch die Förderung hormoneller Signale (z. B. erhöhte Insulinsignale, verringertes Leptin) und Stoffwechselwege, die die Verwendung von Nährstoffen (Glukose, Fettsäuren) zur Produktion von Zellenergie (in Form von ATP) und zur Auffüllung der Energiereserven (Glykogen) fördern , Triglyceride).

Umgekehrt fördert das zirkadiane Zeitsystem während der biologischen Nacht den Schlaf und versetzt den Stoffwechsel in einen Zustand der Mobilisierung gespeicherter Energie, indem es hormonelle Signale (z. B. verringerte Insulinsignale, erhöhter Leptinspiegel) und Stoffwechselwege begünstigt, die gespeicherte Energiereserven abbauen und die Durchblutung aufrechterhalten Glukosespiegel.

Die Signalisierung der Tageszeit durch das zirkadiane Zeitsystem ermöglicht es allen Zellen und allen Systemen (Nerven-, Herz-Kreislauf-, Verdauungssysteme usw.), zyklische Veränderungen in der Umwelt vorherzusagen. drohende Umwelt-, Verhaltens- oder biologische Muster vorhersehen; und sich ihnen präventiv anzupassen.     

Wenn zum Beispiel die Sonne untergeht, „weiß“ unser Gewebe, dass wir bald schlafen gehen und fasten werden, sodass Energie aus dem Speicher entnommen werden muss . Ebenso „weiß“ unser Gewebe, wenn die Sonne aufgeht, dass wir bald wach sind und Nahrung zu uns nehmen, sodass etwas Energie gespeichert werden kann, um die Nacht zu überstehen.

Wie funktioniert die biologische Uhr?

Jede Zelle im Körper verfügt über eine Art autonome Uhr, die ihre Aktivitäten misst. In den meisten Zellen handelt es sich um eine Reihe von Genen, die als Uhrgene bezeichnet werden . Uhrgene steuern die rhythmische Aktivität anderer Gene, um gewebespezifische Funktionen zu steuern und tägliche Schwankungen im Zellstoffwechsel und in der Zellfunktion zu erzeugen.

Aber diese gewebespezifischen Uhren müssen kohärent funktionieren, um das Gleichgewicht in unserem Körper aufrechtzuerhalten. Diese Kohärenz wird durch eine Hauptuhr im Gehirn geschaffen, die alle zirkadianen Prozesse organisiert. Diese zentrale Uhr befindet sich in einer Region des Hypothalamus, die als suprachiasmatischer Kern (SCN) bezeichnet wird .

Uhrengene im SCN legen die natürliche Periode unserer biologischen Uhr fest. Obwohl es auffallend nahe an der 24-Stunden -Umgebungsperiode liegt (im Durchschnitt etwa 24,2 Stunden), ist es dennoch unterschiedlich genug, um eine Desynchronisierung mit der Umgebung zu ermöglichen.

Daher muss es jeden Tag zurückgesetzt werden. Dies geschieht durch Licht, den „Zeitgeber“, der unsere Hauptuhr an die Umgebung weiterleitet.

Der SCN erhält Input von Neuronen der Netzhaut, die ein lichtempfindliches Protein namens Melanopsin enthalten. Diese Neuronen, die als intrinsisch lichtempfindliche retinale Ganglienzellen (ipRGCs) bezeichnet werden, erkennen die Stärke des Umgebungslichts und setzen die SCN-Uhr zurück, um sie mit dem Hell-Dunkel-Zyklus zu synchronisieren.

Der SCN kann dann alle Zelluhren in den Lichtzyklus einbeziehen. Einer der Hauptmechanismen der Ganzkörper-Uhrsynchronisation ist die tageszeitabhängige hormonelle Signalübertragung.

Hormone können Botschaften über große Entfernungen durch das Blut transportieren und sind daher ein wichtiges Kommunikationssystem in der zirkadianen Biologie. Bei dieser Signalübertragung spielen zwei Hormone eine Schlüsselrolle: Melatonin und Cortisol.

Melatonin signalisiert Dunkelheit

Das Hormon Melatonin ist ein wichtiges Signalmolekül des zirkadianen Zeitsystems. Melatonin wird von der Zirbeldrüse in einem zirkadianen Rhythmus produziert: Es steigt kurz nach Sonnenuntergang an (der Melatonin-Einsatz bei schwachem Licht), erreicht seinen Höhepunkt mitten in der Nacht (zwischen 2 und 4 Uhr morgens) und nimmt danach allmählich ab und fällt auf einen sehr niedrigen Wert Pegel bei Tageslicht.

Die Melatoninproduktion der Zirbeldrüse wird durch das SCN über einen neuronalen Signalweg aktiviert, der nur nachts aktiv ist. Tagsüber hemmt der Lichteinfall von der Netzhaut die SCN-Signalübertragung an die Zirbeldrüse und stoppt die Melatoninsynthese. Durch diesen Mechanismus wird die Melatoninproduktion durch Licht gehemmt und durch Dunkelheit verstärkt.

Zirbeldrüsenmelatonin wird in den Blutkreislauf freigesetzt und erreicht alle Gewebe im Körper, wo es die Aktivität von Uhrgenen moduliert und als Zeitgeber fungiert, der Dunkelheit signalisiert. Durch seine Wirkung im Gehirn und im peripheren Gewebe fördert Melatonin den Schlaf und verschiebt unsere physiologischen Prozesse in Vorbereitung auf die Fastenzeit in die biologische Nacht.

Eines der Ziele von Melatonin ist das SCN selbst, wo es als Rückkopplungssignal fungiert, das den Rhythmus der zentralen Uhr anpasst und das gesamte System synchron hält.

Daher ist Melatonin ein chronobiotisches Molekül – ein Molekül mit der Fähigkeit, die Phase der biologischen Uhr anzupassen (vorwegzunehmen oder zu verzögern). Die chronobiotischen Wirkungen von Melatonin sind von entscheidender Bedeutung für die angemessene tägliche Rhythmik physiologischer Prozesse und Verhaltensprozesse, die für unsere Anpassung an die Umwelt unerlässlich sind.

Cortisol signalisiert Erwachen

Das Hormon Cortisol ist vor allem für seine Wirkung als Stresshormon bekannt, es ist aber auch ein wichtiges Signalmolekül im zirkadianen Zeitsystem. Cortisol wird von Mitochondrien in der Nebenniere mit einem zirkadianen Rhythmus produziert, der vom SCN gesteuert wird.

Innerhalb der ersten Stunde nach dem Aufwachen kommt es zu einem starken Anstieg der Cortisolproduktion – der Cortisol-Erwachensreaktion (CAR). Nach diesem morgendlichen Höhepunkt nimmt die Cortisolproduktion im Laufe des Tages kontinuierlich ab. Die Cortisolproduktion ist in der ersten Schlafhälfte sehr niedrig und steigt dann in der zweiten Schlafhälfte stetig an.

Der Anstieg des Cortisolspiegels im Morgengrauen ermöglicht es dem Körper: 1) vorauszusehen, dass wir nach dem Fasten über Nacht bald aufwachen werden; und 2) bereiten Sie sich auf körperliche Aktivität und Essen vor. Zellen reagieren, indem sie sich darauf vorbereiten, Nährstoffe zu verarbeiten, auf den Energiebedarf zu reagieren und die Energiereserven wieder aufzufüllen.

Der morgendliche Höhepunkt der Cortisolsekretion kann als eine Art Stressreaktion beim Aufwachen angesehen werden, die unseren Tag ankurbelt. Der Anstieg des Cortisols erhöht die Erregung, leitet unseren biologischen Tag ein und aktiviert unser tägliches Verhalten.

Störungen des zirkadianen Timings

Der zirkadiane Rhythmus wird sehr elegant durch die Intensität und Art des Lichts reguliert. Beispielsweise wird die Melatoninproduktion am deutlichsten durch helles blaues Licht gehemmt, das durch das Morgenlicht verstärkt wird. Und dementsprechend wird die Cortisol-Wachreaktion durch die Aufwachzeit beeinflusst und ist stärker, wenn blaues Licht, insbesondere morgens, ausgesetzt wird .

Der Körper ist darauf optimiert, dem 24-Stunden-Muster der Umwelt zu folgen, aber Technologie und moderne Lebensstile haben dieses Muster gestört. Helles blaues Licht ist auch eine Art von Licht, das in großen Mengen von künstlichen Lichtquellen wie Bildschirmen und energieeffizienten Glühbirnen abgegeben wird. Die nächtliche Einwirkung dieser Lichtquellen, selbst bei relativ geringen Lichtintensitäten, wie etwa dem normalen Raumlicht, kann die Melatoninproduktion schnell hemmen.

Diese künstlichen Veränderungen im zirkadianen Zeitsystem bleiben nicht ohne Folgen. Obwohl sich der SCN als Reaktion auf zirkadiane Störungen relativ schnell zurücksetzen kann , sind periphere Organe langsamer, was bei wiederholten Verschiebungen im Hell-Dunkel-Zyklus zu einer Desynchronität mit der Umgebung führen kann.

Zirkadiane Störungen können sich negativ auf alle Arten von biologischen Prozessen auswirken: Sie können zu Schlafstörungen, Stoffwechsel- und Herz-Kreislauf-Störungen, Stimmungsstörungen und anderen Störungen führen, die sich auf das Wohlbefinden auswirken.

Schichtarbeiter sind ein häufiges Beispiel dafür, wie schwerwiegend eine zirkadiane Fehlausrichtung sein kann: Sie weisen eine Fehlausrichtung des Melatonin- und Cortisol-Rhythmus auf und haben unter  anderem ein erhöhtes Risiko, an Herz-Kreislauf-Erkrankungen , Krebs  und Magen-Darm-Erkrankungen zu erkranken .

Abschließende Gedanken

Mit zunehmendem Verständnis der Chronobiologie wächst auch das Bewusstsein dafür, wie wichtig zirkadiane Rhythmen für die Gesundheit sind. Die Hauptursachen für zirkadiane Störungen sind Veränderungen in unseren Hauptzyklen: dem Hell-Dunkel-Zyklus, dem Schlaf-Wach-Zyklus und dem Nahrungs-Fasten-Zyklus.

Versuchen Sie daher, soweit Ihr Leben es zulässt, einfache Gewohnheiten zu entwickeln, die Ihren Tagesrhythmus unterstützen können. Optimieren Sie Ihren Schlaf; Halten Sie sich vor dem Schlafengehen von Bildschirmen fern oder tragen Sie nachts, beim Fernsehen oder bei der Computernutzung eine Blaulicht-Schutzbrille . essen Sie zu regelmäßigen Zeiten und früher am Tag; Und gehen Sie morgens nach draußen und tanken Sie etwas helles Sonnenlich.