Церамиды — это семейство воскообразных липидных молекул. Церамид состоит из сфингозина и жирной кислоты , соединенных амидной связью . Церамиды в высоких концентрациях обнаруживаются в клеточной мембране эукариотических клеток, поскольку они являются компонентами липидов, которые составляют сфингомиелин , один из основных липидов в липидном бислое . [1] Вопреки предыдущим предположениям, что церамиды и другие сфинголипиды, обнаруженные в клеточной мембране, являются исключительно поддерживающими структурными элементами, церамид может участвовать в различных клеточных сигналах : примеры включают регулирование дифференциации , пролиферации и запрограммированной клеточной смерти (PCD) клеток .
Слово церамид происходит от латинских cera ( воск ) и амид . Церамид является компонентом первородной смазки , воскообразного или сыроподобного белого вещества, покрывающего кожу новорожденных детей.
Существует три основных пути генерации церамида. Во-первых, путь сфингомиелиназы использует фермент для расщепления сфингомиелина в клеточной мембране и высвобождения церамида. Во-вторых, путь de novo создает церамид из менее сложных молекул. В-третьих, в пути «спасения» сфинголипиды, которые расщепляются до сфингозина, повторно используются путем реацилирования для образования церамида.
Гидролиз сфингомиелина катализируется ферментом сфингомиелиназой . Поскольку сфингомиелин является одним из четырех распространенных фосфолипидов, обнаруженных в плазматической мембране клеток, последствия этого метода генерации церамида заключаются в том, что клеточная мембрана является мишенью внеклеточных сигналов, приводящих к запрограммированной гибели клетки. Были проведены исследования, предполагающие, что когда ионизирующее излучение вызывает апоптоз в некоторых клетках, излучение приводит к активации сфингомиелиназы в клеточной мембране и в конечном итоге к генерации церамида. [2]
Синтез церамида de novo начинается с конденсации пальмитата и серина с образованием 3-кето-дигидросфингозина. Эта реакция катализируется ферментом серинпальмитоилтрансферазой и является этапом, ограничивающим скорость пути. В свою очередь, 3-кето-дигидросфингозин восстанавливается до дигидросфингозина , который затем подвергается ацилированию ферментом (дигидро)церамидсинтазой с образованием дигидроцерамида. Конечная реакция получения церамида катализируется дигидроцерамиддесатуразой . Синтез церамида de novo происходит в эндоплазматическом ретикулуме . Затем церамид транспортируется в аппарат Гольджи либо везикулярным транспортом, либо белком-переносчиком церамида CERT. Попав в аппарат Гольджи, церамид может далее метаболизироваться в другие сфинголипиды , такие как сфингомиелин и сложные гликосфинголипиды . [3]
Конститутивная деградация сфинголипидов и гликосфинголипидов происходит в кислых субклеточных отсеках, поздних эндосомах и лизосомах , с конечной целью получения сфингозина. В случае гликосфинголипидов экзогидролазы, действующие при кислых оптимумах pH, вызывают поэтапное высвобождение моносахаридных единиц с конца олигосахаридных цепей, оставляя только сфингозиновую часть молекулы, которая затем может способствовать образованию церамидов. Церамид может быть далее гидролизован кислой церамидазой с образованием сфингозина и свободной жирной кислоты, оба из которых способны покидать лизосому, в отличие от церамида. Длинноцепочечные сфингоидные основания, высвобождаемые из лизосомы, затем могут повторно войти в пути синтеза церамида и/или сфингозин-1-фосфата . Путь спасения повторно использует длинноцепочечные сфингоидные основания для образования церамида посредством действия церамидсинтазы. Таким образом, члены семейства церамидсинтаз, вероятно, захватывают свободный сфингозин, высвобождаемый из лизосомы, на поверхности эндоплазматического ретикулума или в мембранах, связанных с эндоплазматическим ретикулумом. Путь спасения, по оценкам, обеспечивает от 50% до 90% биосинтеза сфинголипидов. [4]
Как биоактивный липид, церамид участвует в различных физиологических функциях, включая апоптоз , остановку роста клеток, дифференциацию, старение клеток , миграцию клеток и адгезию. [3] Роль церамида и его метаболитов в нисходящем потоке также была предложена в ряде патологических состояний, включая рак , нейродегенерацию , диабет , микробный патогенез, ожирение и воспаление . [5] [6]
Несколько различных церамидов потенциально предсказывают основные неблагоприятные сердечно-сосудистые события (MACE), а именно C16:0, C18:0 и C24:1, хотя C24:0 имеет обратную зависимость. [7] [8] C16-C18 вредны для печени. [7] Уровни церамидов положительно коррелируют с воспалением и окислительным стрессом в печени, а начало и прогрессирование неалкогольной жировой болезни печени (НАЖБП) связано с повышенным уровнем церамида в гепатоцитах . [8] Было показано, что диетическое потребление насыщенных жиров увеличивает уровень церамида в сыворотке и повышает резистентность к инсулину . [7] Хотя первоначальные исследования показали повышенную резистентность к инсулину в мышцах, последующие исследования также показали повышенную резистентность к инсулину в печени и жировой ткани . [8] Вмешательства, которые ограничивают синтез церамида или увеличивают деградацию церамида, приводят к улучшению здоровья ( например, снижение резистентности к инсулину и снижение жировой болезни печени ). [7]
Церамиды вызывают резистентность скелетных мышц к инсулину, когда синтезируются в результате активации рецепторов TLR4 насыщенными жирами . [9] Ненасыщенные жиры не оказывают такого эффекта. [9] Церамиды вызывают резистентность к инсулину во многих тканях путем ингибирования сигнализации Akt/PKB . [10] Агрегация холестерина ЛПНП церамидом вызывает задержку ЛПНП в стенках артерий, что приводит к атеросклерозу . [11] Церамиды вызывают эндотелиальную дисфункцию , активируя протеинфосфатазу 2 (PP2A). [12] В митохондриях церамид подавляет цепь переноса электронов и вызывает выработку активных форм кислорода . [13]
Одна из наиболее изученных ролей церамида относится к его функции как проапоптотической молекулы. Апоптоз , или запрограммированная клеточная смерть I типа , необходим для поддержания нормального клеточного гомеостаза и является важной физиологической реакцией на многие формы клеточного стресса. Накопление церамида было обнаружено после обработки клеток рядом апоптотических агентов, включая ионизирующее излучение, [2] [14] УФ- свет, [15] ФНО-альфа , [16] и химиотерапевтические агенты . Это предполагает роль церамида в биологических реакциях всех этих агентов. Из-за его эффектов, вызывающих апоптоз в раковых клетках, церамид был назван «липидом-супрессором опухолей». Несколько исследований попытались дополнительно определить конкретную роль церамида в событиях клеточной смерти, и некоторые данные свидетельствуют о том, что церамид функционирует выше митохондрий, вызывая апоптоз. Однако из-за противоречивого и изменчивого характера исследований роли церамида в апоптозе механизм, посредством которого этот липид регулирует апоптоз, остается неясным. [17]
Роговой слой — это самый внешний слой эпидермиса . [ 18] [19] [20] Он состоит из окончательно дифференцированных и энуклеированных корнеоцитов, которые находятся в липидной матрице, как «кирпичи и раствор». Вместе с холестерином и свободными жирными кислотами церамиды образуют липидный раствор, водонепроницаемый барьер, который предотвращает испарение воды. Как правило, эпидермальная липидная матрица состоит из эквимолярной смеси церамидов (~50% по весу), холестерина (~25% по весу) и свободных жирных кислот (~15% по весу), а также присутствуют меньшие количества других липидов. [21] [22] Липидный барьер также защищает от проникновения микроорганизмов. [20]
Эпидермальные церамиды имеют разнообразную структуру и могут быть в целом классифицированы как церамиды AS и NS; дигидроцерамиды ADS и NDS; 6-гидроксицерамиды AH, EOH и NH; фитоцерамиды AP и NP; а также ацилцерамиды EOH и EOS, см. рисунок.
[18] Разнообразие структур церамидов, несомненно, играет важную роль в уникальных свойствах рогового слоя на разных участках тела. Например, роговой слой лица тонкий и гибкий, чтобы приспосабливаться к различным выражениям лица. Напротив, роговой слой, покрывающий пятку стопы, толстый и жесткий, чтобы защищать от травм. Соответствуя этим структурным изменениям, существуют специфические для каждого участка тела изменения в эпидермальном липидоме, включая изменения относительного содержания различных структур эпидермальных церамидов. [18]
Подобно изменениям в содержании церамидов, специфичным для определенных участков тела, также существуют хорошо охарактеризованные изменения в экспрессии эпидермальных церамидов у пациентов с воспалительными заболеваниями кожи. При гиперпластическом расстройстве псориазе исследователи сообщили об увеличении количества церамидов AS и NS и уменьшении количества церамидов EOS, AP и NP, что может способствовать дефекту барьера водонепроницаемости кожи. [23] [24] [22] Изучая экспрессию церамидов у пациентов с атопическим дерматитом и псориазом , другие исследователи сообщили, что вместо того, чтобы сосредоточиться на классах церамидов, длина сфингоидного основания церамида и длина цепи жирных кислот оказывают самое сильное влияние на вероятность того, что конкретная структура церамида будет повышена или понижена в воспаленной коже. [18] Уровень церамидов в коже, волосах и ногтях может снизиться из-за изменений окружающей среды (таких как сухой/загрязненный воздух), использования едких сульфатов, чрезмерного тепла (включая горячую укладку), воздействия ультрафиолета и биологического старения. [25]
Ингибирование синтеза церамида мириоцином у мышей с ожирением может привести как к улучшению сигнализации лептина , так и к снижению резистентности к инсулину за счет снижения экспрессии SOCS-3 . [26] Повышенный уровень церамида может вызвать резистентность к инсулину за счет ингибирования способности инсулина активировать путь передачи сигнала инсулина и/или через активацию JNK . [27]
В настоящее время неясно, каким образом церамид действует как сигнальная молекула.
Одна из гипотез заключается в том, что церамид, образующийся в плазматической мембране, повышает жесткость мембраны и стабилизирует меньшие липидные платформы, известные как липидные плоты , позволяя им служить платформами для сигнальных молекул. Более того, поскольку плоты на одном листе мембраны могут вызывать локализованные изменения в другом листе бислоя, они потенциально могут служить связующим звеном между сигналами извне клетки и сигналами, которые должны быть сгенерированы внутри клетки.
Также было показано, что церамид образует организованные большие каналы, пересекающие наружную мембрану митохондрий. Это приводит к выходу белков из межмембранного пространства. [33] [34] [35]
При метаболическом заболевании комбинированной малоновой и метилмалоновой ацидурии (CMAMMA), вызванной ACSF3 , происходит массивное изменение состава сложных липидов в результате нарушения синтеза митохондриальных жирных кислот (mtFAS). [36] [37] Например, в то время как концентрация сфингомиелина заметно увеличивается, концентрация церамидов пропорционально уменьшается. [36]
Керамиды могут быть обнаружены в качестве ингредиентов некоторых местных препаратов для кожи, используемых в качестве дополнения к лечению кожных заболеваний, таких как экзема . [38] Они также используются в косметических продуктах, таких как некоторые мыла, шампуни, кремы для кожи и солнцезащитные кремы. [39] Кроме того, керамиды изучаются как потенциальное терапевтическое средство при лечении рака. [40]
Церамид редко встречается в бактериях. [41] Однако бактерии семейства Sphingomonadaceae его содержат.
Церамид фосфоэтаноламин (CPE) — это сфинголипид, состоящий из церамида и головной группы фосфоэтаноламина . CPE — это основной класс сфинголипидов у некоторых беспозвоночных, таких как представители Drosophila . Напротив, клетки млекопитающих содержат лишь небольшое количество CPE.
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )