Метаболизм сфинголипидов

Класс сфинголипидов представляет собой высокоактивные биологические соединения, которые служат не только компонентами мембраны, но и участвуют в регулировании клеточной пролиферации, дифференцировке, межклеточных взаимодействиях, миграции клеток, внеклеточной и внутриклеточной передаче сигналов и в гибели клеток (Merrill, 2002; Hannun et al., 2008; Pruett et al., 2008; Pettus et al., 2002; Buccoliero, Futerman, 2003; Mao, Obeid, 2008).

Сфинголипидный метаболизм является чрезвычайно сложным процессом и включает сотни молекулярных видов и метаболических путей (Merrill, 2002).

В основе структуры всех сфинголипидов лежит алифатический аминоспирт сфингозин. В состав сфингозина входят заряженные группы, такие как этаноламин, серин или холин, которые через амидную связь связываются с ацильными группами, с жирными кислотами. Церамиды являются простейшими сфинголипи- дами, состоящими из жирной кислоты, прикрепленной посредством амидной связи к сфингозину. Церамид является предшественником сфингомиелина, в составе которого фосфорилхолин или фосфоэтаноламин прикреплены к 1-гидроксигруппе церамида. Церамиды могут деацилироваться до сфингозина, который, в свою очередь, фосфорилируется, образуя сфингозин-1-фосфат. Гликосфинголипиды также являются производными церамида, к которому добавляется один или несколько сахарных остатков, присоединенных с помощью а-гликозидной связи к 1 гидроксилу.

Центральная нервная система содержит большое количество сфинголипидов, метаболиты которых выполняют не только структурную роль в мембранах, но и являются источниками вторичных посредников, которые осуществляют передачу многочисленных клеточных сигналов (Alessenko, 2006).

Сфингомиелиназы гидролизуют сфингомиелин до церамида и фосфохолина (Gatt 1963; Horres, Hannun, 2012). Сфингомиелиназы характеризуются рН-оптиму- мом своей активности (кислая - аSMase, щелочная - alkSMase и нейтральная - nSMase), локализацией в клетке и зависимостью от ионов металлов. Кислая SMase является Zn^-зависимой и преимущественно локализуется в лизосомах (Gatt, 1963), хотя встречается и секретируемая форма (Spence et al., 1989). Структура щелочной SMase отличается от других типов сфингомиелиназ (она принадлежит семейству нуклеотид пирофосфатаз/фосфодиэстераз), но ее ферментативные свойства совпадают с другими ферментами, расщепляющими сфингомиелин до церамида (Nilsson, 1969). Особенно много кислой SMase в слизистой кишечника и желчи, где она расщепляет сфингомиелины, поступающие с пищей (Duan, 2006). Кислая сфин- гомиелиназа активно и в больших количествах экспрессируется в клетках мозга, равномерно на всем протяжении его развития. Недостаток этого фермента в ли- зосомах клеток мозга приводит к нейродегенеративному заболеванию - болезни Нимана-Пика.

Семейство нейтральных сфингомиелиназ, наивысшая активность которых проявляется при рН=7,4, представлено 3 видами, различающимися локализацией в клетке и зависимостью от ионов. nSMase1 является Mg^-зависимой с молекулярной массой в 47,5 кДа и локализуется в эндоплазматическом ретикулуме, а nS- Mase2 - в аппарате Гольджи (Hofmann et al., 2000; Horres, Hannun, 2012; Levy et al., 2006) и этот тип сфингомиелиназ может траслоцироваться в перинуклеарное пространство в ответ на антиоксидантное действие глутатиона, а в ответ на оксида- тивный стресс nSMase2 переходит на плазматичесую мембрану (Levy et al., 2006). nSMase3 можно обнаружить в аппарате Гольджи, эндоплазматическом ретикулуме и плазматической мембране (Krut et al., 2006). Так же как и кислая сфингомиели- наза, нейтральная изоформа фермента активно экспрессируется в клетках мозга, особенно его экспрессия активизируется при нейрональном развитии.

В настоящий момент твердо установлено, что nSMase2 имеет отношение к нейродегенеративным заболеваниям, таким как болезнь Альцгеймера, деменция при СПИДе, болезнь Хантингтона, рассеянный склероз, боковой амитрофический склероз (прогрессирующая мышечная атрофия), инсульты и др. В патогенезе этих заболеваний имеются общие черты, такие как усиленный нейрональный апоптоз и оксидативный стресс (Mahfoud et al., 2002).

Церамид превращается в сфингомиелин путем переноса с помощью фосфати- дилхолин трансферазы фосфохолиновой группы из фосфатидилхолина на церамид. Кроме участия церамида в синтезе сфингомиелина он может превращаться в сфин- гозин и жирные кислоты при действии церамидаз. Подобно сфингомиелиназам, церамидазы также различаются по рН-оптимуму их ферментативной активности и локализации в клеточном пространстве. Известно к настоящему времени 5 церамидаз (Mao et al., 2008). Кислая церамидаза локализована в лизосомальных компар- тментах, нейтральная церамидаза преимущественно находится в плазматической мембране, три щелочных церамидазы обнаружены в аппарате Гольджи и плазматической мембране.

Сфингозин превращается с помощью сфингозин киназы в антиапоптотический агент - сфингозин-1-фосфат (Maceyka et al., 2012).

Ганглиозиды представляют собой обширное семейство сфинголипидов, которые в большом количестве содержатся в мозге человека и животных. В состав ган- глиозидов входят гликосфинголипиды, состоящие из церамидов и олигосахаридов и одной или более сиаловых кислот, прикрепленных к сахарной цепочке. В настоящий момент известно более 40 ганглиозидов, различающихся главным образом положением и числом остатков сиаловых кислот. Ганглиозиды - важные структурные элементы мембран нервных клеток и составляют приблизительно 6% от общего содержания липидов в клетках мозга (Seyfried, Yu, 1984).

К настоящему времени стало очевидно, что такие простые сфинголипиды, как церамид, сфингозин, сфингозин-1-фосфат и гликозилцерамид, играют решающую роль в нейрональной функции благодаря регулированию скорости роста, диффе- ренцировки и смерти клеток ЦНС. Нарушение баланса содержания различных классов сфинголипидов приводит к нарушению нейрональной функции и апоптозу клеток мозга.

Все перечисленные классы сфинголипидов претерпевают значительные изменения в ходе развития болезни Альцгеймера и, как в настоящее время установлено, участвуют в патогенезе данного заболевания (Katsel et al., 2007; Mielke, Lyketsos, 2010).

Поскольку количество сфинголипидов может достигать нескольких тысяч, необходим метод анализа, который бы разделял все липиды в соответствии с типом сфингоидного основания, жирнокислотными остатками и типом гидрофобной головы. Жидкостная хроматография, сопряженная с тандемной масс-спектрометрией, является на сегодняшний день единственным методом, позволяющим исследовать все эти молекулы даже в небольших количествах (Merrill et al., 2005; Sullard et al., 2005).

3.