
Keramidit ovat sfingolipideihin kuuluvia lipidejä, joissa pitkäketjuiseen sfingoidiemäkseen on liittynyt rasvahaposta peräisin oleva asyyliryhmä amidisidoksella. Keramidi ei tarkoita yhtä yhdistettä, vaan rakenteeltaan ja biologisilta vaikutuksiltaan vaihtelevaa yhdisteryhmää.
Keramidit osallistuvat biologisten kalvojen toimintaan ja sfingolipidien aineenvaihduntaan. Niistä muodostetaan muun muassa sfingomyeliiniä ja glykosfingolipidejä. Keramideilla on myös tehtäviä solusignalointissa, ja ihon orvaskeden sarveiskerroksessa ne ovat keskeisiä läpäisyesteen rakennusaineita.
Keramidin runkona on sfingoidiemäs eli pitkäketjuinen aminoalkoholi. Nisäkkäillä tavallinen emäs on 18 hiiliatomia sisältävä sfingosiini, jossa on aminoryhmä hiilessä 2, hydroksyyliryhmät hiilissä 1 ja 3 sekä tavallisesti trans-kaksoissidos hiilten 4 ja 5 välillä. Rasvahapon karbonyyliryhmä liittyy aminoryhmän typpeen muodostaen amidisidoksen. Molekyylin kaksi pitkää hydrofobista osaa ovat siten sfingoidiemäksen oma hiiliketju ja siihen liitetty rasva-asyyliketju.
Keramidit eroavat toisistaan sekä sfingoidiemäksen että rasva-asyyliryhmän rakenteen perusteella. Vaihtelua esiintyy hiiliketjujen pituudessa, tyydyttymättömyydessä ja hydroksyyliryhmien määrässä. Sfinganiinipohjaisia yhdisteitä kutsutaan dihydrokeramideiksi ja fytosfingosiinipohjaisia fytokeramideiksi. Myös jälkimmäisiä esiintyy eläimissä, joten etuliite fyto- ei yksin osoita yhdisteen olevan kasviperäinen.
Muokkaamaton keramidi ei sisällä glyserolirunkoa, fosfaattiryhmää eikä sokeripääryhmää. Kun keramidin ensimmäisen hiilen hydroksyyliryhmään liitetään fosfokoliini, muodostuu sfingomyeliiniä. Sokeriryhmän liittäminen tuottaa glykosfingolipideihin kuuluvan yhdisteen, kuten glukosyylikeramidin tai galaktosyylikeramidin.
Keramideista käytetään lipiditutkimuksessa lyhennettä Cer. Molekyylilajin nimessä voidaan ilmoittaa erikseen sfingoidiemäs ja siihen amidisidoksella liittynyt rasva-asyyliryhmä. Esimerkiksi merkinnässä Cer(d18:1/16:0) emäs sisältää 18 hiiliatomia ja yhden hiili–hiili-kaksoissidoksen, ja rasva-asyyliryhmä sisältää 16 hiiliatomia eikä yhtään hiili–hiili-kaksoissidosta. Etuliite d tarkoittaa kahta hydroksyyliryhmää; se ei ole stereoisomeriaa ilmaiseva D-tunnus. Kolmea hydroksyyliryhmää merkitään vastaavasti kirjaimella t.
| Merkintä | Rakenteesta ilmoitettu tieto |
|---|---|
| Cer(d18:1/16:0) | Dihydroksyloitu 18:1-sfingoidiemäs ja 16:0-rasva-asyyliryhmä |
| Cer(d18:0/16:0) | Vastaava tyydyttyneen sfingoidiemäksen sisältävä dihydrokeramidi |
| Cer(t18:0/16:0) | Trihydroksyloitu 18:0-sfingoidiemäs ja 16:0-rasva-asyyliryhmä |
| Cer(d18:1/22:4) | Dihydroksyloitu 18:1-sfingoidiemäs ja 22:4-rasva-asyyliryhmä |
Uudemmassa LIPID MAPS -merkintätavassa esimerkiksi Cer(d18:1/16:0) kirjoitetaan muodossa Cer 18:1;O2/16:0. Sen vähemmän yksityiskohtainen summakoostumusmerkintä on Cer 34:1;O2. Summamerkintä ei yksilöi hiiliatomien ja kaksoissidosten jakautumista kahteen ketjuun. Merkinnän O2 ei tässä tarkoita molekyylin kaikkia happiatomeja: amidin karbonyylihappi sisältyy jo lipidiluokan määritelmään.
Nimityksellä C16-keramidi viitataan tavallisesti rasva-asyyliketjun 16 hiiliatomiin, ei koko molekyylin hiiliatomimäärään. Pelkkä ketjumerkintä ei myöskään kerro kaksoissidosten sijaintia tai geometriaa. Nimistön yksityiskohtaisuuden tulee vastata sitä rakennetasoa, joka analyysillä on todettu.
Keramideja ja niistä muodostettavia sfingolipidejä esiintyy eläinten lisäksi kasveissa, sienissä ja eräissä bakteereissa. Eri eliöryhmien sfingoidiemäkset, rasva-asyyliketjut ja keramideihin liitettävät pääryhmät voivat poiketa toisistaan.
Lituruoholla (Arabidopsis thaliana) on kolme keramidisyntaasia, LOH1, LOH2 ja LOH3, jotka suosivat erilaisia lähtöaineita. LOH1-geenin toiminnan häiriintyminen muuttaa kasvin sfingolipidikoostumusta ja voi aiheuttaa spontaania solukuolemaa. Keramidien aineenvaihdunta liittyy siten myös kasvien solujen elinkelpoisuuden säätelyyn.
Hiivasienillä keramidit ovat muun muassa inositolifosfaattia sisältävien sfingolipidien lähtöaineita. Leivinhiivan (Saccharomyces cerevisiae) Lag1p- ja Lac1p-proteiinit osallistuvat keramidien synteesiin, jossa käytetään erityisesti 26 hiiliatomin rasva-asyyliketjuja.
Sfingolipidejä tuottaviin bakteereihin kuuluu suolistossa eläviä Bacteroides-suvun lajeja. Soluviljely- ja hiirikokeissa bakteerien tuottamien sfingolipidien on osoitettu päätyvän isännän aineenvaihduntareiteille ja muuttavan tämän keramidipitoisuuksia. Näissä tutkimuksissa bakteerien lipidituotanto muodostaa yhden yhteyden suolistomikrobiston ja isännän rasva-aineenvaihdunnan välille.
Keramideja muodostuu sekä uusista lähtöaineista että ennestään olemassa olevien sfingolipidien muokkauksessa. Nisäkkäiden de novo -synteesi alkaa pääosin solulimakalvostossa, kun seriini ja palmitoyylikoentsyymi A muodostavat seriini-palmitoyylitransferaasin katalysoimassa reaktiossa 3-ketosfinganiinia. Tämä pelkistetään sfinganiiniksi, johon keramidisyntaasi liittää rasva-asyyliryhmän. Syntynyt dihydrokeramidi voidaan muuttaa sfingosiinipohjaiseksi keramidiksi lisäämällä sfingoidiemäkseen kaksoissidos.
Ihmisellä tunnetaan kuusi keramidisyntaasia, CerS1–CerS6. Niiden käyttämien rasva-asyylikoentsyymi A -yhdisteiden ketjupituudet eroavat toisistaan. Entsyymien ilmentyminen vaikuttaa siten siihen, mitä keramidilajeja kudoksessa muodostuu.
Toinen muodostumisreitti on sfingomyeliinin hydrolyysi. Sfingomyelinaasi irrottaa sfingomyeliinistä fosfokoliiniryhmän, jolloin jäljelle jää keramidi. Myös monimutkaisempien sfingolipidien lysosomaalinen hajotus tuottaa keramideja. Kierrätysreitillä hajoamisessa vapautunut sfingosiini voidaan asyloida uudelleen keramidiksi.
Solulimakalvostossa syntyvää keramidia kuljetetaan muun muassa Golgin laitteeseen, jossa sitä käytetään muiden sfingolipidien valmistukseen. Osa kuljetuksesta tapahtuu CERT-proteiinin välityksellä. Keramidin sokeri- ja fosfokoliinijohdannaiset osallistuvat esimerkiksi solukalvon rakenteen muodostamiseen.
Keramidaasit hydrolysoivat keramidin amidisidoksen, jolloin syntyy sfingoidiemäs ja rasvahappo. Sfingosiini voidaan palauttaa keramidien synteesiin tai fosforyloida sfingosiini-1-fosfaatiksi, joka on oma signalointimolekyylinsä. Keramidin pitoisuus riippuu siten samanaikaisesti sen muodostumisesta, kuljetuksesta ja kulutuksesta eri aineenvaihduntareiteillä.
Keramidien suhteellisen pieni polaarinen osa ja pitkät hydrofobiset ketjut vaikuttavat niiden pakkautumiseen kalvoissa. Mallikalvokokeissa tietyt keramidit muodostavat järjestäytyneitä alueita ja voivat syrjäyttää kolesterolia sfingolipidirikkaista kalvoalueista. Vaikutus riippuu muun muassa ketjujen rakenteesta ja kalvon muusta lipidikoostumuksesta. Keramidipitoisuuden lisääntyminen ei siten tarkoita yksiselitteisesti kolesterolia sisältävien lipidilauttojen lisääntymistä.
Keramidien signalointivaikutuksia on tutkittu muun muassa solujen kasvun, erilaistumisen ja apoptoosin yhteydessä. Varhaisissa kokeissa synteettinen, lyhytketjuinen C2-keramidi aiheutti viljellyissä leukemiasoluissa apoptoosille ominaista DNA:n pilkkoutumista. Tällaisten analogien vaikutuksia ei kuitenkaan voi sellaisinaan yleistää kaikkiin luonnollisiin keramidilajeihin.
Eristetyillä mitokondrioilla tehdyissä kokeissa keramidien on havaittu muodostavan ulkokalvon läpäiseviä kanavia ja lisäävän sen läpäisevyyttä pienille proteiineille, kuten sytokromi c:lle. Kalvoihin kohdistuvat vaikutukset ovat yksi keramideihin liitettyjen solukuolemamekanismien tutkimuskohteista.
Orvaskeden sarveiskerroksen solujen välisessä lipidikerroksessa keramidit muodostavat yhdessä kolesterolin ja vapaiden rasvahappojen kanssa rakenteita, jotka rajoittavat veden haihtumista ja ulkopuolisten aineiden pääsyä ihoon. Ihon keramidit ovat rakenteellisesti monimuotoisia, ja niihin kuuluu erittäin pitkiä rasva-asyyliketjuja sisältäviä lajeja.
Erityinen ryhmä ovat ω-O-asyylikeramidit, joissa amidisidoksella liittyneen rasvahapon ketjun päässä olevaan hydroksyyliryhmään on esteröity toinen rasvahappo, tavallisesti linolihappo. PNPLA1-entsyymi osallistuu näiden yhdisteiden muodostamiseen. Sen toiminnan häiriöt heikentävät ihon läpäisyestettä ja liittyvät perinnöllisiin iktyooseihin.
Keramidien yhteyttä aineenvaihduntasairauksiin tutkitaan molekyylilajikohtaisesti. Ihmisten rasvakudoksessa CERS6-geenin lisääntynyt ilmentyminen ja C16:0-keramidien pitoisuus on yhdistetty lihavuuteen ja insuliiniresistenssiin. CerS6-entsyymin puuttuminen on puolestaan vähentänyt runsasrasvaisen ruokavalion aiheuttamaa painonnousua ja glukoosinsiedon heikkenemistä hiirillä.
Keramidien kokonaismäärä ei yksin kuvaa niiden vaikutuksia. CerS2-entsyymin osittainen puutos on hiirillä vähentänyt erittäin pitkäketjuisia keramideja, lisännyt kompensoivasti C16-keramideja ja altistanut rasvamaksatulehdukselle sekä insuliiniresistenssille. Eri ketjupituuksien muutokset voivat siten liittyä erilaisiin aineenvaihdunnallisiin seurauksiin.
Veren keramidilajeja ja niiden pitoisuussuhteita on tutkittu myös sydän- ja verisuonitautien biomarkkereina. Tutkimuksessa tietyt plasman keramidit ja niiden suhteet ennustivat sydän- ja verisuonikuolleisuutta kolmessa sepelvaltimotautipotilaiden aineistossa myös tavanomaisten riskitekijöiden huomioon ottamisen jälkeen. Ennusteyhteys ei sellaisenaan osoita, että mitattu keramidi olisi yksin sairauden syy. Suomessa Zora Biosciences on kehittänyt keramidien pitoisuusmittauksiin perustuvia merkkiainekokeita, joilla voitaisiin ainakin osin paikata olemassa olevia veren kolesterolilipoproteiinitutkimuksia, joiden ennustearvoa viime aikoina on kyseenalaistettu.
Keramidien aineenvaihduntaa tutkitaan lisäksi hermokudoksen vaurioissa ja tulehdusreaktioissa. Rotan aivoiskemiamallissa neutraalin sfingomyelinaasi 2:n ja keramidien muodostumisen lisääntyminen paikantui varhain erityisesti astrosyytteihin. Reitin estäminen vähensi tulehdusvälittäjien muodostumista ja hermosoluvauriota kyseisessä koejärjestelmässä.
Keramideja ja niiden rakenneanalogeja voidaan valmistaa myös kemiallisella synteesillä. Esimerkiksi fytokeramidien valmistukseen on kehitetty stereoselektiivisiä reittejä, joissa rakennetaan sfingoidiemäksen runko ja liitetään siihen rasva-asyyliryhmä. Näin voidaan tuottaa määritellyn rakenteen yhdisteitä biologisia ja kemiallisia tutkimuksia varten.
Lipidomiikassa keramideja erotellaan ja tunnistetaan muun muassa nestekromatografiaan yhdistetyllä massaspektrometrialla. Molekyylilajin tunnistaminen on erotettava pelkän summakoostumuksen määrittämisestä: sama hiiliatomien ja kaksoissidosten kokonaismäärä voi vastata useita rakenteita. Myös kaksoissidosten sijainnin ja stereokemian selvittäminen vaatii yksityiskohtaisempaa analyysiä.