24-часовой экологический цикл, вызванный суточным вращением Земли, привел к тому, что почти у всех организмов развились эндогенные циклы, которые происходят с периодом около 24 часов и называются циркадными ритмами (от латинской фразы circa diem, означающей около суток). Эта внутренняя временная система позволяет организмам предвидеть циклические изменения света, наличия пищи и риска нападения хищников, а также обеспечивает временное разделение физиологических процессов, которые могут быть несовместимы друг с другом или с сигналом окружающей среды.
Например, временная компартментализация биохимических, метаболических и окислительно-восстановительных процессов внутри клеток может помочь одноклеточным организмам рассчитать время деления клеток, чтобы избежать повреждающего ДНК воздействия ультрафиолетового света и ионизирующего излучения, связанного с солнечным светом. У многоклеточных организмов, включая человека, клеточные осцилляторы в головном мозге и периферических тканях взаимосвязаны, образуя циркадную сеть, которая координирует физиологические ритмы и поведение, такое как сон-бодрствование, температура тела, артериальное давление, выработка гормонов, нервная и иммунная системы.
Циркадные часы — это биологические механизмы синхронизации, которые генерируют 24-часовые физиологические ритмы и ритмы поведения, представленные циклами сна/бодрствования, выбросом гормонов и метаболизмом. Адаптивное значение часов становится очевидным, когда внутренние биологические часы и ежедневные экологические циклы не совпадают, например, в случае сменной работы и смены часовых поясов или даже несвоевременного приема пищи, которые связаны с физиологическими нарушениями и болезнями.
Исследования с животными и человеком также выявили важную роль функциональных циркадных часов в модулировании клеточных и организменных ответов на физиологические сигналы (например, прием пищи, физические упражнения), патологические повреждения (например, вирусные и паразитарные инфекции) и медицинские вмешательства (например, медикаменты).
С ростом знаний о молекулярных и клеточных механизмах, лежащих в основе циркадной физиологии и патофизиологии, становится возможным ориентироваться на циркадные ритмы для профилактики и лечения заболеваний.
Учитывая связь между нарушением циркадной регуляции и патологией, исследователи искали способы улучшить циркадные ритмы для лечения заболеваний, воздействуя на циркадные часы с помощью немедикаментозных вмешательств, таких как яркий свет, ограниченное по времени питание или физические упражнения.
Тот факт, что гены-мишени многих лекарств экспрессируются ритмично, также обеспечивает молекулярное обоснование своевременного медикаментозного лечения для повышения эффективности и снижения токсичности. Эти препараты могут непосредственно воздействовать на гены часов или молекулы, цикл которых контролируется часами, — «молекулы вывода»