Evolutsiooni käigus on kõigi elusorganismde, sealhulgas ka inimese füsioloogia kohanenud 24-tunnilise Maa pöörlemise tsükliga. Sellist kohanemist koordineerib sisemine tsirkadiaanne kell, mille rütmi perioodi pikkus on umbes 24 tundi (circa dies), varieerudes veidi inimeseti.

Lisaks ööpäevarütmile mõjutavad elusorganismide aktiivsust ka teised geofüüsikalised tsüklid: sesoonne 365.24 päeva tsükkel, kuutsükkel pikkusega 29.53 päeva ja tõusude-mõõnade 12.8 tunniline tsükkel.

Nii inimese kui kõigi teiste elusorganismide füsioloogiat ja käitumist kontrollib ja moduleerib peamiselt 24-tunnise tsükliga sisemine kellamehhanism, mis võimaldab organismidel juba ette „peenhäälestatuda“ päeva ja öö vaheldumise erinevatele nõudmistele.

Põhiline signaal (zeitgeber), mis sisemist tsirkadiaanset kella väliskeskkonna tingimustele sünkroniseerib, on valgus.

Imetajatel võtavad valgussignaali vastu silma võrkkestas paiknevad, melanopsiini sisaldavad fotosensitiivsed ganglioni rakkud (ipRGC rakud), mis edastavad signaali reetina ja hüpotalamuse vahelise närviühenduse kaudu suprakiasmaatilisele tuumale (SCN). SCN paikeb hüpotalamuses optilise kiasmi kohal ja koosneb ~20 000 paarilisest neuronist.

SCN toimib kui peamine kell, mille ülesanne on organismi hierarhilises kellasüsteemis erinevates organites, kudedes, aga ka individuaalsetes rakkudes olevate molekulaarsete kellasüsteemide omavaheline kooskõlastamine.

Sünkroniseerimine toimub närviimplusside ja hormoonide kaudu. Näiteks melatoniini kui uinumiseks olulise hormooni ekspressioon algab mõned tunnid enne magamajäämist ja saavutab maksimumi öisel ajal.

Neerupealiste koores sünteesitava steroidhormooni kortisooli rütm on aga melatoniiniga vastasfaasis. Kortisooli kontsentratsiooni maksimaalne tase peaks tervel inimesel esinema vahetult enne ärkamist. 

Seega on melatoniini ja kortisooli tsirkadiaansed rütmid kooskõlas ööpäevase valguse muutumise rütmiga, tagades öisel ajal une ja päevasel ajal erksuse.

Endogeense kella üheks oluliseks funktsiooniks on tagada organismis toimuvate ainevahetuslike protsesside ajaline struktureerimine kindlatesse perioodidesse.

Metaboolsete protsesside rütmilisus ööpäeva jooksul. Kellasüsteem koordineerib vastavalt öö ja päeva tsükli seisule sobiva metaboolse vastuse ning suurendab energeetilist jõudlust tänu anaboolsete ja kataboolsete reaktsioonide ajalisele lahutamisele perifeersetes kudedes. Tsirkadiaanne ebakõla, mis tekib une häirumise, vahetustega töötamise, dieedi muutmise jm sellise käitumise korral, häirib tsirkadiaanse ja metaboolse süsteemi integratsiooni ja võib viia ebasoodsate metaboolsete seisunditeni. Autor: Marcheva et al., 2013, kohandatud

Miks meie organismil üldse on tarvis geenidega mõjutada ööpäevarütme?

Organismide tsirkadiaanne toimimine hõlmab endas mitmesuguseid bioloogilisi protsesse, mis kõik on mingil viisil reguleeritud paljude erinevate geenide õigel ajal sisse- ja väljalülitamisega.

Tänavu füsioloogia ja meditsiini alal Nobeli preemia saanud Jeffrey C Hall, Michael Rosbash ja Michael W Young on teadlased, kes kasutasid uurimisobjektina äädikakärbest Drosophila melangogasteri’t selleks, et selgitada välja need geenid ja molekulaarsed mehhanismid, mis tagavad kella tsüklilise töö.

Jeffrey Hall and Michael Rosbash, töötades koos Brandeis’ ülikoolis Bostonis ja Michael Young Rockefelleri ülikoolist Bostonis isoleerisid äädikakärbsel 1984. aastal nn period geeni.

Jeffrey Hallil ja Michael Rosbashil õnnestus näidata, et selle geeni sünteesitud valk, mille nad nimetasid PER valguks, sünteesitakse tsütoplasmas ja teise geeni, timeless, poolt sünteesitud produkti TIM abiga liigub see rakutuuma, akumuleerub seal öö jooksu ja seejärel päeval see degradeeritakse.

Seega PER valgu tase ostsillerub 24 tunnise tsükliga, sünkroniseeerudes tsirkadiaanse rütmiga. Edasi näitasid nad, et PER valk ise blokeerib akumuleerudes period geeni ekspresserumise, reguleerides seeläbi iseenda pidevat tsüklilist rütmi.

Tänaseks on teada, et tsirkadiaanset rütmi tagavad lisaks period geenile veel mitmed teised nn tuumik-kellageenide hulka kuuluvad geenid.