皮肤的新陈代谢

皮肤作为人体最大的一个重要器官参与整个机体的一般新陈代谢过程,由于皮肤的特殊解剖结构和生理功能,它在生物化学代谢方面也有着许多特点。随着基础医学研究方法和技术的进展,皮肤的新陈代谢研究已深入到分子水平,从而为阐明许多皮肤疾病的发生机制和发展过程奠定了基础,在推动临床皮肤病学的研究中起着关键作用。

能量代谢

正常表皮的能量代谢比较活跃,与其再生速度较快相适应。皮肤和体内大多数组织一样,以葡萄糖或脂肪作为主要能量物质,供能的方式也存在有氧氧化(包括糖的有氧氧化、脂肪酸的β-氧化和氨基酸的氧化分解等)和糖的无氧分解(糖酵解)两条途径,后者在皮肤中(尤其是在表皮)特别旺盛,其速度在人体各组织中是最快的。在有氧条件下,表皮中50%-75%的葡萄糖通过糖酵解分解提供能量,缺氧时,则有70%-80%的葡萄糖通过无氧酵解分解提供能量,且同时产生乳酸。

皮肤中能量代谢的特点也表现在表皮酶含量的差异上。迄今为止已在表皮发现糖的有氧氧化和无氧酵解的全套酶系,包括琥珀酸脱氢酶、乳酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、丙酮酸脱氢酶、糖原合成酶、葡萄糖磷酸化酶等,但表皮中丙酮酸脱氢酶含量较低而乳酸脱氢酶含量较高,使葡萄糖经分解代谢产生的丙酮酸脱氢氧化产生乙酰辅酶A进入三羧酸循环的速度减慢,有利于丙酮酸还原为乳酸进入糖酵解。

糖代谢

皮肤葡萄糖含量为3.33~4.50 mmol/L,相当于血糖的2/3左右,表皮中含量又多于真皮和皮下组织。在某些疾病如糖尿病时,皮肤糖含量可升高,使皮肤对于真菌和细菌的易感性增加。皮肤中糖的主要功能是提供能量,此外还可作为黏多糖、脂质、糖原、核酸、蛋白质等物质在体内生物合成的底物。

糖的分解代谢

表皮能有效地进行分解代谢,其分解通路主要有三条,即无氧酵解、有氧氧化和磷酸戊糖通路。

糖酵解:皮肤特别是表皮中糖的无氧酵解通路特别旺盛。生物化学和组织化学的研究资料表明,在表皮细胞的胞质中含有与糖酵解有关的全部酶类,包括直链淀粉-4,6-转糖苷酶、磷酸化酶、葡萄糖酸变位酶和烯醇化酶等,己糖磷酸激酶是该通路中三个关键酶之一,其活性的调节将直接影响到糖酵解的进行:灵长类动物大部分皮肤附属器均显示存在己糖激酶活性,而以头皮小汗腺胞质中最高;足底皮肤中己糖激酶活性呈现区域性差异,以基底细胞和棘细胞最强,角质层细胞最弱,表明糖代谢的活力随表皮细胞的角化而逐渐减弱。从己糖激酶的调节作用来看,表皮对葡萄糖的利用受二磷酸腺苷(adenosine diphosphate,ADP)局部浓度的控制,任何降低ADP的过程(如糖酵解、三羧酸循环等)都可使细胞内葡萄糖耗量增加。

三羧酸循环:即糖有氧氧化通路的最后一个阶段。在有氧条件下,表皮细胞内糖酵解产生的丙酮酸从胞质进入线粒体,线粒体内膜含有的丙酮酸脱氢酶系催化丙酮酸脱羧生成乙酰辅酶A,然后进入三羧酸循环,彻底氧化成C02和水,并产生大量三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP),在此过程中还产生大量烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NADH)和琥珀酸,它们在维持表皮细胞线粒体内外的氧化还原电位中起着十分重要的作用。

磷酸戊糖途径:是糖的分解代谢的一条旁路,它提供一条糖代谢的弹性途径,以适应表皮的不同分化阶段。已有证据表明,此通路在表皮上层内进行。来自真皮血管的氧供应几乎雉以达到表皮上层的几层细胞,此通路通过将烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADP+)还原成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotnamide adenine dinucleotide 2’-phosphate reduced tetrasodium salt,NADPH)而保证了缺乏分子氧时也能顺利进行氧化反应。用组织化学定量测定此通路的一个关键酶-6-磷酸葡萄糖脱氢酶活性,发现在颗粒层甚的表皮区以及活表皮细胞与死表皮细胞之间转变很快的表皮区不能检出此酶活性,但在掌跖表皮、毛发的角质生成区与银屑病患者表皮等处,这种酶含量较多,证实了有磷酸戊糖途径的存在,说明在表皮越厚的区域,组织缺氧的程度越大,就越可能从糖酵解转向磷酸戊糖通路。由于此通路的酶类存在于胞质的可溶部分,当线粒体丧失能力直至细胞死亡时,磷酸戊糖通路将发挥主要作用。此通路的其他重要生理功能是提供NADPH,后者可在表皮脂肪酸和胆固醇等生物合成过程中作为供氢体。

糖原的合成与分解

正常表皮细胞只含有少量糖原,皮肤中的糖原是糖代谢的合成产物,应用PAS反应在组织切片中很容易得到证实。人皮肤糖原含量在胎儿期最高,以后逐渐降低,直至成人期达到低值,一般不超过体重的0.1%,通常约为0.08%,主要分布在颗粒层,棘层上部亦有少量,角质层内极少,棘层大部及基底层中不含糖原;皮脂腺边缘的未分化腺细胞内较多,腺细胞成熟后含量减少,汗腺管的基底层细胞内含量也较多,汗腺分泌细胞活力增加时则减少,毛发内外毛根鞘含量较多,在毛发生长时显著增加,休止期则明显减少。人体表皮细胞具有合成糖原的能力,创伤后4小时表皮基底细胞中即可检出糖原,8-16小时达高峰,然后逐渐降低。在表皮细胞的滑面内质网中具糖原合成酶及分支酶等,可通过磷酸葡萄糖或经糖醛酸途径合成。

皮肤内糖原的降解是一个复杂的过程,磷酸化酶是关键酶,受环磷酸腺苷系统的控制,凡能使细胞内环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate,cAMP)增加的信号均能导致磷酸化酶活化,进而促使糖原分解加速。这一过程受血循环中肾上腺素、胰岛素、胰高血糖素等调节。

脂质代谢

皮肤的脂质成分

表皮脂质成分为其干重的10%,真皮脂质成分仅为其干重的4%,且随皮脂腺和毛囊数不同而有所差异,每个皮脂腺约含脂质10μ。皮肤表面脂质(皮面脂质)的量决定于皮脂腺脂质和表皮脂质,也随皮脂腺分泌脂质(皮脂)的量及脱落的表皮细胞数目而变化。在皮脂腺丰富的部位如头皮、前额和上背部,皮面脂质中90%来源于皮脂腺。

皮面脂质的脂肪酸含量相当恒定,其中C10~C18脂肪酸不随性别、月经期、皮肤部位或时间等而改变,而脂质成分则随着性别而存在差异,一般女性含较多甘油三酯,男性则含较多的磷脂和胆固醇。

皮脂脂质和表皮脂质的成分

皮脂脂质成分和表皮脂质成分主要含:鲨烯、蜡酯、甘油三酯、胆固醇游离脂防酸和磷脂等。两者的主要差异是:皮脂脂质中含有表皮脂质中明显缺乏的鲨烯、蜡酯、甘油三酯和游离脂肪酸,而表皮脂质中却含有皮脂脂质中较少的磷脂和固醇类,后者是表皮脂质的主要成分,约占中性脂质的20%,其中大部分为胆固醇;某些胆固醇脂质(如硫酸胆固醇)与角蛋白纤维关系密切;表皮中可测得7-脱氢胆固醇,说明表皮是合成维生素D前体的场所。皮脂脂质和表皮脂质中脂肪酸含量均占约60%,这些脂肪酸可以游离或酯化形式(如磷脂、中性甘油酯、胆固醇酯和蜡酯等)出现,其中主要是C16和C18,且均有单烯、双烯和多不饱和脂肪酸。

核素掺入研究显示,皮肤脂质中上述各种成分均能在体内合成。当大量限制热量供应时,人体表皮脂质合成将有显著变化,但皮脂脂质则较少受影响。

皮脂腺的脂质代谢

皮脂是皮脂腺中脂肪细胞的最后分化产物,在完整的皮脂腺细胞中合成的脂质成分不同于皮脂细胞在分化期间的产物,也不同于皮脂被转运入毛囊内的脂质成分。实验测定发现皮面脂质中富含游离脂肪酸,而在完整的皮脂腺细胞及完整的腺体中含量极微:皮面脂质及粉刺内的游离脂肪酸来自皮脂腺中的甘油三酯,是在毛囊皮脂腺内的细菌(主要是丙酸棒状杆菌)分泌的脂肪酶作用下形成的。随着皮脂腺细胞分化以及皮脂转入毛囊内,固酵类的酯化也有增加,皮脂脂质中酯化的固醇类占50%甚至更多,而在表皮脂质中却不到30%,皮脂中特有的蜡酯和鲨烯是皮脂细胞在脂质发生中的固有成分。

表皮的脂质代谢表

皮细胞在分化的不同阶段,其脂质的组成有显著差异。在人类表皮中,与处于增殖和分化期的基底层及棘层细胞中的脂质相比,死亡的角质层细胞和衰老的颗粒层细胞中固醇类较高而磷脂缺乏,在角质层中尚积聚有蜡酯和脑酰胺。这些发现提示表皮脂质代谢的主要特征是磷脂水解和在角化末期的中性脂质集聚,这些在皮面中显著潴留的中性脂质是细胞分化、最终死亡引起的副产品,在对水和电解质的屏障中也起着一定的作用。

在人和动物的大多数正常表皮中,磷脂集中分布于颗粒层区而角质层所含甚少。颗粒层的磷脂有两个来源,一是角质形成细胞的细胞器在酸性水解酶作用下释放,二是在表皮上层中通过磷酸戊糖通路能进行有效合成,通路中必需的α-磷脂甘油脱氢酶已在某些部位皮肤的上层表皮中被检出,表明该处的磷脂合成相当活跃。类固醇占表皮脂质的10%~15%,其中90%以游离形式存在,余为酯化的类固醇,76%类固醇又以胆固酵形式存在。皮肤表面有许多不同的类固醇物质,绝大多数都是由皮脂腺分泌而来,少数来自表皮。表皮脂质膜中10%-20%为鲨烯及胆固醇,鲨烯是合成人皮肤固醇的直接前体,类固醇的合成部位是在细胞内质网,它含有把乙酸转变为鲨烯的酶,在某些细胞内还有所需的辅酶。人体皮肤的表皮极易使14C-乙酸转变为14C-胆固醇,而在含有皮脂腺的真皮中只生成少量胆固醇,却有14C-鲨烯聚集,提示人类皮脂本身含有大量的鲨烯,胆固醇则很少。人体表皮脂质膜中的胆固醇大部分来自于表皮细胞。

在表皮中有许多降解磷脂类物质的酶(如磷脂酶和碱性磷酸酶),可将底物降解成脂肪酸、甘油、磷酸和胆碱。固酵类物质如胆固醇可在表皮细胞中先转变成7-脱氢胆固醇,受紫外线照射作用后成为有活性的维生素D3。表皮不能彻底分解胆固醇的甾核,少量胆固醇与其还原产物二氢胆固醇可以皮脂的形式由皮肤分泌出来,较少量的胆固醇和胆固醇酯还可随同表皮细胞的脱落而排出体外。

皮肤中的脂肪代谢

  1. 脂防的合成:主要在表皮细胞中合成,表皮细胞滑面内质网的胞质侧含有合成脂肪酸的转酰酶,可合成软脂酸和硬脂酸,继而经脱饱和反应产生小部分不饱和脂肪酸。亚油酸和花生四烯酸是表皮中最主要的必需脂肪酸,它们均只能来源于食物,二者经肝细胞合成为甘油三酯并形成脂蛋白(低密度脂蛋白)并通过血浆进入皮肤。血浆脂类和脂蛋白代谢异常时导致的各型高脂蛋白血症及血清蛋白代谢异常均可使脂质局限性沉积于真皮而被组织细胞吞噬,引起临床上的皮肤黄色瘤损害。发疹性黄色瘤几乎无例外地在高乳糜微粒血症时发生,于高乳糜微粒血症消除后一段时间内消失;结节性发疹性黄色瘤的发生是乳糜微粒、低密度脂蛋白、极低密度脂蛋白残余颗粒或它们的组分在组织中沉积的结果,而在黄色瘤病谱的结节后期是由于低密度脂蛋白、极低密度脂蛋白残余颗粒或其组分沉积所导致。
  2. 脂肪的分解:表皮脂类总量的45%为甘油三酯,这些表皮脂防的氧化分解与其他组织相同,在胞质中水解为甘油和脂肪酸,前者经磷酸化后进入糖代谢通路,后者经酰化后借线粒体内膜中的肉碱转运至线粒体内,在线粒体内酶、辅酶A、ATP等参与下以脂酰CoA的形式经β氧化产生大量的NADH和FADH后进入三羧酸循环。必需脂肪酸中的亚油酸可和表皮细胞膜的磷脂发生酯化以维持皮肤的屏障作用:花生四烯酸则可作为合成前列腺素(PG)和其他二十碳四烯酸代谢产物的前体。
  3. 花生四烯酸的代谢:花生四烯酸是人类皮肤中最常见的脂防酸衍生物活性物质的前身物质,为一种二十碳不饱和脂肪酸,存在于含微粒体细胞的细胞膜磷脂的β位上,可通过环氧合酶和脂氧合酶两条途径形成PG、LT以及二十碳四烯酸等各种代谢产物。 花生四烯酸在脂过氧化酶的作用下形成氢过氧化二十碳四烯酸,并进一步被代谢成羟二十碳四烯酸和白三烯(LT)。已证明在人类皮肤中羟二十碳四烯酸的合成非常活跃,这些衍生物多数在体外对中性粒细胞和嗜酸性粒细胞有明显的趋化性;LT中的LTB4是由环氧化物水解酶作用于LTA4形成的,已证明为已知最强的内源性趋化剂之一,能使血管通透性增强,中性粒细胞聚集并附着于血管壁,还可进入血管壁并位于内皮细胞下并活化脱颗粒,产生过氧化物引起内皮细胞损伤。

前列腺素(prostaglandin,PC)是一类具有二十碳原子的不饱和脂肪酸,以前列腺酸为基本骨架,具有—个五碳环和两条侧链。在人类皮肤中,PG参与表皮中环核苷酸的代谢和正常细胞分裂以及分化的调节。

皮肤脂质的异常

干扰胆固醇合成的药物,如氨氯三苯乙醇可诱发鱼鳞病样表现同时伴脱发。脂肪酸代谢障碍往往伴表皮增殖、角化过度和经表皮丧失水分的增多,提示角化层屏障功能丧失。在这种疾病中,必需脂肪酸如亚油酸和花生四烯酸减少或缺乏。在Refsum综合征中,由于脂肪酸被植烷酸所替代,也呈现有表皮增殖和角化过程的显著改变。表皮中这些异常脂质的存在或是必需脂肪酸的缺乏,影响了前列腺素的合成,从而可引起一系列其他的改变。

蛋白质代谢

皮肤的蛋白质主要由表皮蛋白质和真皮蛋白质组成,其代谢情况分述如下。
  1. 表皮蛋白质:表皮中的蛋白质有纤维性蛋白和非纤维性蛋白。纤维性蛋白主要是角蛋白,它是表皮细胞、毛发和甲的结构蛋白。非纤维性蛋白则参与角化过程以外所有其他的细胞功能。非纤维性蛋白包括富含组氨酸蛋白质和角层碱性蛋白:前者存在于颗粒层细胞的透明角质颗粒中,是磷酸化的,到达角质层时失去磷酸化转变为角层碱性蛋白;后者和角质层细胞中的角蛋白细丝相互作用,并促进细胞聚集,故又称细丝聚集蛋白。
  2. 真皮蛋白质:主要是结缔组织纤维中的蛋白质,包括胶原和弹力蛋白。基质中主要是黏蛋白。基质膜中则含糖蛋白,如板层素、纤维连接素、类天疱疮抗原等,其功能为促进细胞与Ⅳ型胶原的黏附。
  3. 皮肤中的蛋白水解酶:皮肤中的蛋白水解酶通过催化多肽链的水解而降解皮肤中的蛋白质。其种类繁多,但缺乏严格的底物特异性,常分为两类:肽链内切酶和肽链外切酶。在人类皮肤中发现和提纯的肽链内切酶,有酪蛋白水解酶、糜蛋白酶、胰蛋白酶、胶原酶、白明胶酶和弹力蛋白酶、激肽释放酶、C1-酯酶、纤维蛋白溶酶、组织蛋白酶、钙离子激活蛋白酶等。肽链外切酶有氨肽酶、羧肽酶、二肽基肽酶和二肽酶。皮肤中的蛋白水解酶在正常情况下参与细胞与细胞外的结构物质代谢,还参与皮肤病发生发展过程中的许多病理生理过程,如皮肤的炎症过程和细胞功能的调节。

水和电解质代谢

皮肤是人体内的—个主要贮水库,大部分水分贮存在真皮内,—个体重65 kg的人,皮肤含水量可达7.5 kg,儿童特别是婴儿的皮肤含水量比例则更高;在失水条件(如严重腹泻、呕吐等)下,皮肤内水分释出可起到—定程度辅助调节体内水分贮藏的作用。
 
皮肤也是人体电解质的重要贮存库之一,大部分电解质贮存在皮下组织内,如钠、钾、镁、氯、钙、磷以及一些微量元素等,这些电解质的含量约为皮肤重量的0.6%。皮肤受损或在各种炎症性皮肤病(如急性湿疹、接触性皮炎)时,水分及钠盐增加,随之氯化物也增加,水及钠均有明显增加;在脂溢性皮炎、玫瑰糠疹、扁平苔藓、银屑病及剥脱性皮炎的皮损中,水和盐的含量也均增高,这种变化在限制性饮水及进低盐饮食时可变得不明显,对皮肤炎症的消退起着有利作用;在某些慢性炎症性皮肤病如寻常性狼疮中,水、钠及氯化物均较高而钾变化较少,有一定意义;一般在皮炎性皮肤病中,随着钠、氯的增加,钾往往降低,但银屑病由于皮损棘层肥厚,含钾的表皮细胞明显增殖,钾的含量可有明显增加。

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