Артем Кабанов

Артем Кабанов

Содержание

  • Home
  • Pages
  • Самый большой и удивительный орган человека

Самый большой и удивительный орган человека

Кожа

Рисунок 1. Вес самых крупных органов в теле человека

Чтобы получился такой большой орган, нужно очень много клеток. В коже их примерно 110 миллиардов (1,1х10¹¹) – больше, чем население всего мира. Такие данные приводит в своей книге «Поразительные числа в биологии» (Amazing numbers in biology) немецкий профессор Райнер Флиндт из Педагогического университета Людвигсбурга. Считается, что всего в человеческом теле 37,2 триллионов клеток, причем, львиную долю от этого числа — более 20 триллионов — составляют эритроциты. Но это пока что не окончательные данные1 2.

Кожа постоянно обновляется, особенно активно это происходит в ее верхнем слое – эпидермисе. Ежедневно он теряет 40 тысяч старых клеток, а их место занимают новые. Если верить некоторым данным, то половину домашней пыли составляют отмершие клетки жильцов. А в земной атмосфере этих клеток наберется около миллиарда тонн. Полностью эпидермис обновляется каждые 28–30 дней. Можно сказать, что каждый месяц человек живет с новой кожей3 4.

Кожа состоит из нескольких слоев (рис. 2). Подробнее мы поговорим о них ниже, а сейчас просто перечислим, начиная с самого глубокого:

  • Подкожная жировая клетчатка (её иногда называют гиподермой) состоит из тяжей фиброзной соединительной ткани, между которыми находятся ячейки, заполненные жировой тканью.
  • Дерма, или собственно кожа, или кориум – каркас, который придает кожным покровам эластичность, упругость и плотность. Она состоит из соединительной ткани5.
  • Эпидермис – поверхностный, самый тонкий слой, к которому мы прикасаемся, когда дотрагиваемся до кожи. Он состоит из пяти слоёвклеток, имеющих разное строение. В самом глубоком, базальном слое, образуются новые клетки.

Рисунок 2. Основные слои кожи6

Каждый из этих слоев вносит свой вклад в физиологические процессы, протекающие в коже, поддержание ее здоровья, противодействие болезнетворным факторам. Конечно же, все они участвуют и в процессе старения.

Гидролипидная мантия

Гидролипидная мантия – это невидимый «костюм», который покрывает всю поверхность тела человека. В первую очередь она нужна для того, чтобы защищать кожу от вредных химических веществ, излучений и патогенных микроорганизмов. Также она помогает поддерживать эластичность кожи, потому что способствует удержанию влаги.

Основные компоненты гидролипидной мантии, как следует из ее названия (на русский язык его можно перевести как «водно-жировая мантия») – вода и жиры. Последние происходят из двух источников: кожного сала и клеток эпидермиса.
Основные компоненты кожного сала перечислены в таблице7:

Класс липидовМасса по отношению к общему количеству
Триглицериды20–60%
Эфиры восков23–29%
Сквален10–14%
Свободные жирные кислоты5–40%
Эфиры холестерина и стерола1–5%
Диглицериды1–2%

Н. Николаидес, пионер в изучении гидролипидной мантии, сказал так: «Уникальность липидов кожи характеризуют два ключевых слова: сложность и извращенность». Действительно, биологическая пленка на поверхности кожи человека уникальна и сильно отличается от таковой у других животных, в том числе наших ближайших родственников – приматов7 8.

Сквален – натуральный солнцезащитный крем

Пожалуй, самый интересный компонент в составе кожного сала человека – сквален (рис. 3). Это соединение относится к классу каротиноидов и участвует в обмене веществ, оно — промежуточный продукт в синтезе холестерина. Но в клетках сальных желез сквален почему-то не превращается в следующие продукты в этой цепочке, причины этого до конца не понятны даже ученым9.

Рисунок 3. Химическая структура сквалена10

В кожном сале человека сквален накапливается в необычайно большом количестве – на него приходится 12% от всех соединений. Столько его нет ни в одном органе. Совсем нет сквалена и на коже приматов — у них преобладает холестерин. Ученые считают, что это эволюционное приспособление, и его возникновение связано с защитой от ультрафиолетовых лучей. Обезьян, как и других млекопитающих, от солнечного излучения защищает густая шерсть. Человек – «голая обезьяна», а значит, его кожа должна приобрести какие-то другие механизмы.

Современные данные указывают на то, что сквален превращает гидролипидную мантию в своего рода естественный солнцезащитный крем. Исследования показывают, что при воздействии ультрафиолетовых лучей на гидролипидный слой и эпидермис в первую очередь окисляются альфа-токоферол (витамин E) и убихинол-10 – это антиоксиданты, которые тоже входят в состав гидролипидной мантии. Когда эта первая линия защиты прорвана, дело доходит до сквалена. Фактически это вещество приносится в жертву, чтобы защитить другие липиды и саму кожу.

Но его функция не ограничиваются только ролью пассивного щита. Продукты перекисного окисления сквалена заставляют кератиноциты – основные клетки эпидермиса – вырабатывать воспалительные молекулы: простагландин E и другие цитокины. Ученые предполагают, что за счет этого активируются пигментные клетки-меланоциты, и они начинают активно вырабатывать меланин. Возможно, отчасти этим можно объяснить образование загара на коже11.

Такие свойства сквалена находят практическое применение и представляют интерес для ученых. Например, оценку скорости окисления сквалена и образования его гидропероксида используют для тестирования эффективности солнцезащитных средств.

В то время как в кожном сале остальных приматов нет сквалена, его очень много у водных млекопитающих, таких как выдры, бобры. У них это соединение обеспечивает водоотталкивающие и теплоизоляционные свойства. Это дало некоторым исследователям повод предположить, что предки людей, возможно, произошли от каких-то водных обезьян, питавшихся рыбой11. Звучит интригующе, но современные ученые в основном согласны, что не очень правдоподобно. Многие уверены, что это предположение из области псевдонауки.

В последние годы также было обнаружено, что сквален способен защищать ткани от канцерогенов – веществ, вызывающих злокачественные опухоли. Например, в одном эксперименте мышам вводили 7,12-диметилбенз (a) антрацен и 12-O-тетрадеканоилфорбол-13-ацетат – канцерогенные соединения. У животных, которых «лечили» 5%-м скваленом, злокачественные опухоли развивались на 26,67% реже12.

Загадочная сапиеновая кислота

Еще одно уникальное соединение в кожном сале человека – сапиеновая кислота (рис. 4). Здесь она преобладает среди всех жирных кислот, однако в организме больше нигде не встречается. Мало того – ее нет ни у одного животного, покрытого волосами. Помимо кожи человека, сапиеновую кислоту обнаруживают только в некоторых морских организмах и маслах из семян7.

Рисунок 4. Структура молекулы сапиеновой кислоты13

Сапиеновая кислота образуется из пальмитиновой и может превращаться в другое уникальное соединение – себалеиновую кислоту. Это происходит только в клетках сальных желез.

Роль этого соединения пока еще изучена недостаточно хорошо. Известно, что сапиеновая кислота может выполнять функцию антимикробного барьера. Она способна вызывать деполяризацию мембран у некоторых бактерий, что приводит к изменениям в работе ДНК и нарушению энергетических процессов. За счет этого сапиеновая кислота помогает предотвращать некоторые заболевания. Например, развитие атопического дерматита – хронического заболевания, при котором в верхних слоях кожи развивается воспаление, связанное с микроорганизмом S. aureus, более известным как золотистый стафилококк. Исследования показывают, что у людей, чья кожа обильно колонизирована этими бактериями, в кожном сале содержится мало сапиеновой кислоты. Это позволяет предположить, что она активно участвует в защите организма от бактерий14.

Эфиры восков​

Эти соединения также уникальны для кожного сала и не вырабатываются больше нигде в организме. Они составляют 25% от всех липидов, вырабатываемых сальными железами, и по темпам их производства можно судить о степени дифференцировки сальных желез. Например, при атрофии в этих железах выработка эфиров восков сильно падает. Причем, не до конца понятно, что из этих двух явлений причина, а что следствие.

Эфиры восков синтезируют ферменты-синтазы, и в коже их обнаружено довольно много. Производство эфиров восков зависит от пола и возраста – это связано с общей активностью продукции кожного сала.

В природе эфиры восков распространены очень широко. Они покрывают листья растений, мех и перья животных, а также бактериальные клетки, грибки и водоросли. Эти соединения довольно устойчивы к воздействию свободных радикалов, их основные функции у человека – защита кожи. Помимо этого, эфиры восков помогают удерживать жидкость, предотвращают пересыхание или чрезмерное увлажнение кожи. В некоторых случаях кристаллы воска превращаются в эффективную «клининговую службу» и отталкивают не только воду, но и различные химические вещества и микроорганизмы. Это явление известно как “эффект лотоса”: наверняка вы замечали, как после дождя листья растений не намокают, вместо этого вода скапливается на них в виде капелек (рис. 5)7.

Рисунок 5. Эффект лотоса на листьях растений15

Липиды рогового слоя

Роговой слой эпидермиса тоже вносит вклад в формирование кожного барьера. Здесь наиболее активно происходит синтез холестерина, жирных кислот и церамидов (или керамидов, рис. 6). Среди последних есть уникальные — в других клетках человеческого тела таких нет. Церамиды — разновидность сфинголипидов – класса жиров с наиболее разнообразной химической структурой и биологическими эффектами. В клеточных мембранах эти соединения являются второстепенным компонентом, а в составе “цемента”, склеивающего отдельные клетки – основным. Это своего рода клей, цемент, который скрепляет между собой кератиноциты, придает коже прочность, поддерживает уровень ее влажности, защищает от обезвоживания, проникновения болезнетворных микроорганизмов и аллергенов16 17 18 19.

Рисунок 6. Структура молекулы церамида20

Помимо внеклеточных, существуют внутриклеточные церамиды, и они тоже выполняют важные функции, связанные с апоптозом (запрограммированной клеточной смертью), клеточной дифференцировкой (специализацией) и пролиферацией (ростом). Например, церамиды могут приказывать «совершить самоубийство» кератиноцитам, которые были повреждены ультрафиолетовым излучением. Короткоцепочечные церамиды внутри клеток-меланоцитов способны подавлять их размножение, но при этом активировать синтез пигмента21. Нарушения этих функций приводят к некоторым заболеваниям. Например, изменения в молекулярных профилях церамидов обнаруживаются при таких патологиях кожи, как атопический дерматит, псориаз и ксероз.

Почему у людей «кислая» кожа?

Помимо термина «гидролипидная мантия», в дерматологии есть такое понятие, как «кислотная мантия» (рис. 7). Оно было предложено в 1928 году двумя немецкими учеными из Кильского университета — Генрихом Шаде и Альфредом Маркионини. Десятилетие спустя Маркионини с коллегами опубликовали пять статей, объединенных темой «Кислотная мантия и защита от бактерий». Исследователи рассмотрели взаимосвязь между pH кожи и ростом на ней бактерий, различия в кислотности кожи в зависимости от области тела и возраста человека. Именно в этой роли слабокислый pH кожных покровов предстал перед учеными в первую очередь: как барьер, который защищает нас от болезнетворных микроорганизмов. Однако позже были выявлены и другие его функции22.

Рисунок 7. Защитный барьер, который находится над эпидермисом, и место в нем кислотной мантии, липидного барьера18

В норме pH на поверхности эпидермиса составляет от 4 до 6, то есть там слабокислая среда (нейтральными считаются среды с pH 7). В то же время, во внутренней среде тела показатель pH поддерживается на уровне, близком к нейтральному – от 7 до 9 (но есть исключения, например, кислая среда в желудке). Таким образом, между эпидермисом и дермой возникает довольно выраженный градиент кислотности. За счет чего же поверхность кожи кислая? Это обеспечивается за счет разных компонентов:

  • Продуктов деградации филаггрина – белка, который синтезируется клетками эпидермиса (кератиноцитами). В частности, при его разрушении образуются пирролидонкарбоновая и урокановая кислота, свободные аминокислоты23 24.
  • Жирные кислоты25.
  • Молочная кислота, которая выделяется в составе пота23 26.
  • Работа натрий-водородного обменника — белка, который встроен в клеточную мембрану и транспортирует ионы натрия внутрь клетки, а ионы водорода – наружу. Такие насосы присутствуют в мембранах многих клеток, их функция — поддержание гомеостаза (равновесия) pH и натрия27 25 28.
  • Другие кислые соединения, образующиеся в результате обменных процессов.

Таблица 1. Уровень кислотности на поверхности кожи: зависимости от разных факторов23

Факторы, влияющие на кислотность кожиЗначение
ВозрастСогласно некоторым данным, с возрастом pH кожи повышается. Но его уровень постоянно колеблется, что затрудняет оценку.
ПолУ женщин кислотность выше, чем у мужчин.
РасаУ белокожих людей кислотность немного выше, чем у чернокожих, но в целом между представителями разных народностей разницы в ней нет.
Количество кожного салаСуществует обратная зависимость между секрецией кожного сала и уровнем pH кожи. Но она не сильная и не позволяет делать выводы о причинно-следственных связях.
ПотоотделениеВ состав пота входит молочная кислота, которая делает поверхность кожи более кислой. Однако, при сильном потоотделении концентрация лактата снижается, и pH повышается.
Мыло и моющие средстваПосле контакта кожи с мылом, синтетическими моющими средствами и даже с водопроводной водой pH кожи на короткое время повышается.
КосметикаПосле нанесения большинства видов косметики pH кожи снижается.

Кислотность кожи и защита от инфекций

На поверхности кожи обитает множество микроорганизмов. Среди них есть постоянные жильцы, случайные гости и враги, которые только и ждут, когда в защите организма человека возникнет брешь. И если размножение мирных сожителей лучше всего происходит в кислой среде, то болезнетворным микробам, таким как золотистый стафилококк (S. aureus), подходит нейтральная среда. К тому же, при низких значениях pH в коже лучше работают естественные защитные механизмы.

Например, в составе пота человека выделяется белок дермицидин, который обладает антибактериальным эффектом. Ученые обнаружили, что в среде с pH 5,5 бактерицидная эффективность дермицидина составляет 90%, а при pH 6,5 – всего 60%. Многие другие белки кожи с антибактериальной функцией также намного лучше работают в кислой среде.

Кроме того, бактерии превращают нитраты, которые выделяются в составе пота, в нитриты. Затем из них образуется активный азот, обладающий антибактериальным действием. Эти процессы также протекают в кислой среде29.

Заживление ран

Чтобы рана на коже быстро зажила, необходимы определенные условия. Важную роль играет pH. Уровень кислотности влияет на пролиферацию клеток эпидермиса, активность фибробластов в дерме, матриксных металлопротеиназ (ферментов, которые помогают утилизировать «мусор», оставшийся после разрушенных клеток), размножение микроорганизмов, образование биопленок и иммунные реакции.
Все раны кожи можно разделить на острые и хронические. В большинстве случаев острые раны успешно заживают. Но если процессы заживления нарушаются, то рана становится хронической, и это грозит серьезными осложнениями, вплоть до сепсиса. Исследования показали, что pH может служить маркером хронизации раневого процесса. При острых ранах среда сначала становится кислой, потом, по мере стихания воспаления, отклоняется в щелочную сторону, а затем быстро возвращается к норме. При хронических же ранах среда постоянно остается слабощелочной (рис. 8)23.

Рисунок 8. Изменение pH при острых и хронических ранах23

На основе этих знаний уже созданы pH-активируемые системы контроля высвобождения лекарственных средств и «умные повязки» для ран.

pH и барьерная функция кожи

Способность кожи защищать организм от воздействий извне отчасти обеспечена уровнем ее кислотности. Например, два фермента, участвующих в синтезе церамидов – β-глюкоцереброзидаза и кислая сфингомиелиназа – лучше всего функционируют, соответственно, при pH 5,6 и 4,5. Причем, как показывают эксперименты, активность β-глюкоцереброзидазы при pH 7,4 снижается в 10 раз по сравнению с ее активностью при pH 5,5. Процессинг («дозревание») липидов, которые синтезируются клетками эпителия, тоже требует кислой среды. При pH 4,5–6 свободные жирные кислоты образуют пластинчатые жидкие структуры, что также играет роль в барьерной функции кожи29.

Целостность рогового слоя эпидермиса

В зависимости от значения pH, эпидермис может либо оставаться стабильным, либо активно отшелушиваться. Работа таких ферментов, как сериновые протеазы, калликреин-5 и калликреин-7 тесно связана с процессом десквамации (отшелушивания), для них оптимально нейтральное значение pH. По мере повышения pH, активность сериновых протеаз повышается, а ферментов, участвующих в синтезе церамидов – снижается29.

Артем Кабанов

Артем Кабанов

Читайте также

SKIN REASSEMBLING

Восстановление структурной организации кожи

Подробнее

Напишите нам

  1. How Many Cells Are In Your Body?[↩]
  2. Ученые: бактерий в теле человека не в 10 раз больше, чем своих клеток[↩]
  3. What is the skin?[↩]
  4. Number of skin cells[↩]
  5. Родионов, А. Н., Заславский, Д. В., & Сыдиков, А. А. (2019). Клиническая дерматология.[↩]
  6. Skin, the human body’s largest organ[↩]
  7. Pappas A. (2009). Epidermal surface lipids. Dermato-endocrinology, 1(2), 72–76. https://doi.org/10.4161/derm.1.2.7811[↩][↩][↩][↩]
  8. Nicolaides N. (1974). Skin lipids: their biochemical uniqueness. Science (New York, N.Y.), 186(4158), 19–26. https://doi.org/10.1126/science.186.4158.19[↩]
  9. Picardo, M., Ottaviani, M., Camera, E., & Mastrofrancesco, A. (2009). Sebaceous gland lipids. Dermato-endocrinology, 1(2), 68–71. https://doi.org/10.4161/derm.1.2.8472[↩]
  10. Mallakin, A., Taneja, P., Inoue, K., Ward, N. A., & Dahms, H. U. (2018). Biochemical characterization of ratfish (Chimaera monstrosa) liver oil; cytotoxic and antineoplastic evaluation in cancer cell lines. http://dx.doi.org/10.15761/ICM.1000137[↩]
  11. De Luca, C., & Valacchi, G. (2010). Surface lipids as multifunctional mediators of skin responses to environmental stimuli. Mediators of inflammation, 2010, 321494. https://doi.org/10.1155/2010/321494[↩][↩]
  12. Huang, Z. R., Lin, Y. K., & Fang, J. Y. (2009). Biological and pharmacological activities of squalene and related compounds: potential uses in cosmetic dermatology. Molecules (Basel, Switzerland), 14(1), 540–554. https://doi.org/10.3390/molecules14010540[↩]
  13. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Sapienic-acid[↩]
  14. Sapienic Acid in Antimicrobial Skin Barrier Defense[↩]
  15. STAIN PROTECTION & THE LOTUS EFFECT[↩]
  16. Uchida, Y., & Park, K. (2021). Ceramides in Skin Health and Disease: An Update. American journal of clinical dermatology, 22(6), 853–866. https://doi.org/10.1007/s40257-021-00619-2[↩]
  17. Cha, H. J., He, C., Zhao, H., Dong, Y., An, I. S., & An, S. (2016). Intercellular and intracellular functions of ceramides and their metabolites in skin. International journal of molecular medicine, 38(1), 16-22. https://doi.org/10.3892/ijmm.2016.2600[↩]
  18. Coderch, L., López, O., de la Maza, A., & Parra, J. L. (2003). Ceramides and skin function. American journal of clinical dermatology, 4(2), 107–129. https://doi.org/10.2165/00128071-200304020-00004[↩][↩]
  19. Wartewig, S., & Neubert, R. H. (2007). Properties of ceramides and their impact on the stratum corneum structure: a review. Part 1: ceramides. Skin pharmacology and physiology, 20(5), 220–229. https://doi.org/10.1159/000104420[↩]
  20. https://en.wikipedia.org/wiki/Ceramide[↩]
  21. Cha, H. J., He, C., Zhao, H., Dong, Y., An, I. S., & An, S. (2016). Intercellular and intracellular functions of ceramides and their metabolites in skin (Review). International journal of molecular medicine, 38(1), 16–22. https://doi.org/10.3892/ijmm.2016.2600[↩]
  22. Surber, C., Humbert, P., Abels, C., & Maibach, H. (2018). The Acid Mantle: A Myth or an Essential Part of Skin Health?. Current problems in dermatology, 54, 1–10. https://doi.org/10.1159/000489512[↩]
  23. Kuo, S. H., Shen, C. J., Shen, C. F., & Cheng, C. M. (2020). Role of pH Value in Clinically Relevant Diagnosis. Diagnostics (Basel, Switzerland), 10(2), 107. https://doi.org/10.3390/diagnostics10020107[↩][↩][↩][↩][↩]
  24. Kezic, S., O’Regan, G. M., Yau, N., Sandilands, A., Chen, H., Campbell, L. E., Kroboth, K., Watson, R., Rowland, M., McLean, W. H., & Irvine, A. D. (2011). Levels of filaggrin degradation products are influenced by both filaggrin genotype and atopic dermatitis severity. Allergy, 66(7), 934–940. https://doi.org/10.1111/j.1398-9995.2010.02540.x[↩]
  25. Proksch E. (2018). pH in nature, humans and skin. The Journal of dermatology, 45(9), 1044–1052. https://doi.org/10.1111/1346-8138.14489[↩][↩]
  26. Ali, S. M., & Yosipovitch, G. (2013). Skin pH: from basic science to basic skin care. Acta dermato-venereologica, 93(3), 261-269.[↩]
  27. Vallés, P. G., Bocanegra, V., Gil Lorenzo, A., & Costantino, V. V. (2015). Physiological Functions and Regulation of the Na+/H+ Exchanger [NHE1] in Renal Tubule Epithelial Cells. Kidney & blood pressure research, 40(5), 452–466. https://doi.org/10.1159/000368521[↩]
  28. Sarangarajan, R., Shumaker, H., Soleimani, M., Le Poole, C., & Boissy, R. E. (2001). Molecular and functional characterization of sodium–hydrogen exchanger in skin as well as cultured keratinocytes and melanocytes. Biochimica et biophysica acta, 1511(1), 181–192. https://doi.org/10.1016/s0005-2736(01)00273-5[↩]
  29. Ali, S. M., & Yosipovitch, G. (2013). Skin pH: from basic science to basic skin care. Acta dermato-venereologica, 93(3), 261–267. https://doi.org/10.2340/00015555-1531[↩][↩][↩]