Prawidłowe funkcjonowanie organizmu jest determinowane przez rytm okołodobowy. Uzależniony jest on od wewnętrznego zegara i poprzez regulowanie licznych procesów fizjologicznych warunkuje jaka pora snu, a także jaka pora aktywności i czuwania jest najkorzystniejsza dla organizmu człowieka. Zaburzenia rytmu okołodobowego prowadzą do gorszej jakości życia, powodując wzrost ryzyka chorób, zarówno somatycznych, jak i psychicznych.

Za regulację i synchronizację procesów warunkowanych przez rytm okołodobowy odpowiedzialne jest położone w podwzgórzu jądro nadskrzyżowaniowe. Struktura ta odbiera sygnał dotyczący aktualnego natężenia światła z siatkówki poprzez szlak siatkówkowo-podwzgórzowy. Synchronizacja centralnego zegara biologicznego z resztą organizmu zachodzi przy udziale melatoniny, hormonu wydzielanego przez szyszynkę w okresie ciemności. Dzięki temu możliwa jest koordynacja oraz dostosowanie do aktualnej pory dnia wielu procesów fizjologicznych takich jak sen, wydzielanie hormonów, metabolizm, temperatura ciała, ciśnienie krwi czy praca układu pokarmowego. Istnienie zegara biologicznego umożliwia również rozdział czasowy przeciwstawnych procesów takich jak glikogenoliza i glukoneogeneza.

Molekularny mechanizm zegara biologicznego opiera się na działaniu białek regulatorowych takich jak m.in. PER, TIM oraz CLOCK. Wspomniane białka i ich geny tworzą tzw. transkrypcyjno-translacyjną pętlę sprzężenia zwrotnego, której cykl trwa około 24 godziny. Synteza białek zależnych od wewnętrznego zegara umożliwia zwiększenie aktywności lub zahamowanie wielu szlaków metabolicznych, których działanie i następstwa są korzystne o danej porze doby.

Białko PER jest kodowane przez gen Period. Jego synteza następuje w nocy, a stężenie podlega istotnym zmianom podczas 24-godzinnego rytmu okołodobowego. Do oscylacyjnego funkcjonowania genu Period wymagane są białka CLOCK (CLK) i CYCLE (CYC), które w cytoplazmie tworzą heterodimery i w takiej postaci przechodzą do jądra komórkowego. Następnie poprzez przyłączenie się do promotora genu Per inicjują jego transkrypcję, a powstały mRNA jest transportowany do cytoplazmy, gdzie służy jako matryca do syntezy białka PER. Największe natężenie tego procesu występuje wieczorem. W mechanizmie regulacji rytmu okołodobowego bierze również udział aktywny w nocy gen Timeless, kodujący białko TIM. W nocy białka PER i TIM łączą się w heterodimery, następuje akumulacja tych kompleksów, co umożliwia ich transport z cytoplazmy do jądra komórkowego. Po wejściu do jądra kompleks PER-TIM rozpoczyna hamowanie transkrypcji własnych genów oraz genów aktywowanych przez CLK oraz CYC. W ten sposób następuje zamknięcie transkrypcyjno-translacyjnej pętli sprzężenia zwrotnego.

Zegar biologiczny synchronizuje rytm endogenny z rytmem zmian warunków środowiska poprzez otrzymywanie informacji o zmianie czynników zewnętrznych (niem. Zeitgebers – „dawcy czasu”) takich jak aktywność społeczna i umysłowa, wysiłek fizyczny, temperatura i pokarm oraz przede wszystkim poprzez reakcje na zmiany głównego czynnika jakim jest światło. Wznowienie transkrypcji genów następuje dopiero, gdy zachodząca w ciągu dnia degradacja białek PER oraz TIM zniesie wywieraną przez nie represję ekspresji własnych genów. Ma to miejsce dzięki temu, że bodźce świetlne aktywują fotoreceptor – flawoproteinowe białko kryptochromu (CRY; CRYPTOCHROME). CRY odgrywa rolę w zależnej od światła degradacji białka TIM. Pod wpływem bodźców świetlnych CRY i TIM tworzą heterodimery, co prowadzi do fosforylacji, a następnie ubikwitynacji i degradacji w proteasomach białka TIM. W konsekwencji zmniejszonego stężenia białka TIM obniża się również stężenie białka PER, które jest niestabilne w postaci monomeru, co prowadzi do jego degradacji. Następuje odblokowanie transkrypcji genów Per oraz Tim i możliwa jest ponowna synteza tych białek.

Sen człowieka złożony jest z dwóch rodzajów snu – fazy REM, czyli fazy szybkich ruchów gałek ocznych oraz nREM, czyli fazy bez szybkich ruchów gałek ocznych, które następują po sobie cyklicznie. W trakcie snu wzrasta stężenie testosteronu we krwi u mężczyzn. Produkcja tego hormonu w ciągu nocy osiąga swój szczyt podczas pierwszych 3 godzin niezakłóconego snu, zazwyczaj w czasie pierwszej fazy REM. Zmniejszona wydajność snu i liczba faz snu REM jest związana z niższym stężeniem krążącego testosteronu. Właściwy poziom testosteronu determinuje prawidłową aktywność seksualną.