1.성분명
세라마이드(Ceramide)
※ 세라마이드는
스핑고이드 베이스에 지방산이 결합된 분자
※ 스핑고이드 베이스
스핑고신
다이하이드록시스핑고신
파이토스핑고신
6-하이드록시스핑고신
※지방산
N : neutral
A : alpha-hydroxy
EO : ester linked omega hydroxy
O : Omega hydroxy
EN : 1-O-acylceramide
세라마이드 전구체인 스핑고이드(Sphingoids)와 결합되는 지방산의 구조에 의해 다양한 세라마이드가 존재하게 된다.
피부에 존재하는 세라마이드는 이론적으로 20개가 존재하나, 현재까지는 15종이 발견되었다.
세라마이드는 크게 4가지로 NP(NP,AP), EOP, OP, ENP가 있으며 각기 중요한 역할을 담당한다.
최근에는 새롭게 발견된 1-O-acylceramide에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
1-O-acylceramide는 ENP에 속하는 것으로 각질세포에서 라멜라(lamella, 층상)를 양방향에서 고정시킴으로써
라멜라 구조를 안정화시키는 역할을 한다.
※ Ceramides are a family of waxy lipid molecules.
A ceramide is composed of sphingosine and a fatty acid.
Ceramides are found in high concentrations within the cell membrane of eukaryotic cells,
since they are component lipids that make up sphingomyelin, one of the major lipids in the lipid bilayer.[1]
Contrary to previous assumptions that ceramides and other sphingolipids found in cell membrane were purely supporting structural elements, ceramide can participate in a variety of cellular signaling:
examples include regulating differentiation, proliferation, and programmed cell death (PCD) of cells.
2. 구조식
3. SKIN DEEP(EWG)
1등급
4. 원료 제조사
Evonik(독일)
Doosan(한국)
Grant Industries(미국)
※ 세라마이드는 약 20년 전에 개발되었는데
최근에 다시 재조명을 받고 있다.
Persistence Market Research의 시장보고서에 의하면,
글로벌 세라마이드 마켓은
향후 연평균 6.6% 성장률로
2029년에는 691.1M 달러
(한화 약 8,500억원)의
시장규모가 예상된다.
효모 유래 세라마이드
(Fermentation Ceramides)
시장이 60%이상을 차지할 것으로 보이며, 특히 중국시장은 연평균 8.8%로
글로벌 시장에 비해 높은
고성장을 할 것으로 전망된다.
5. 화장품 용도
피부컨디셔닝제,
헤어컨디셔닝제
보습제 밀폐제
6. 효능
보습제
※ 스핑고신은
스핑고신 키네이스 1 및
스핑고신 키네이스 2에 의해
생체 내에서 인산화될 수 있다.
스핑고신의 인산화로 인해
강력한 신호 전달 지질인
스핑고신 1-인산(S1P)이 생성된다.
세라마이드, 스핑고신,
스핑고신 1-인산과 같은 스핑고지질의 대사산물들은
다양한 세포 과정에 관여하는
지질 신호전달 분자이다.
※ 지방산과 콜레스테롤 인지질도
지질 신호전달 물질임.
https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_receptor#Ligands
7. 역사
※ 피부장벽 구조는 1990년 초중반에
피터 일라이스(Peter Elias)에 의해
‘벽돌과 모타르 모델(Brick and Mortar)’로 명명되어졌으며,
모타르에 해당되는
세포간 지질은
세라마이드, 콜레스테롤 및 유리지방산으로 구성되어 있는 것으로 밝혀졌다.
※ 세라마이드는
화장품산업에서는 매우 중요한 보습제로서 지난 25년간 사용되어져 왔다.
1985년 처음 사람 피부에서
세라마이드가 발견된 후,
1세대 세라마이드는
동물세포(Bovine Brain)에서 채취되었으나,
1995년 광우병 사태로 인해
사용이 금지 되었다.
2세대 세라마이드는 효모 발효로
만들어진 세라마이드이다.
화장품 산업에서 많이
사용되어졌지만,
하나의 지방산(Single Fatty Acid)을
가진 하나의 세라마이드에 불과했다.
3세대세라마이드는 지방산의 길이에 따라 다양하다.
8. 기타
※ 각질층에서 세라마이드 형성
과립층 세포의 매끈소포체(SER, smooth endoplasmic reticulum)에서 만들어져
골지체로 이동하여 라멜라바디 형성
세포막과 퓨전되면서 각질세포간 지질로 배출됨.
※ 합성경로
There are three major pathways of ceramide generation. First, the sphingomyelinase pathway uses an enzyme to break down sphingomyelin in the cell membrane and release ceramide. Second, the de novo pathway creates ceramide from less complex molecules. Third, in the "salvage" pathway, sphingolipids that are broken down into sphingosine are reused by reacylation to form ceramide.
1) Sphingomyelin hydrolysis
Hydrolysis of sphingomyelin is catalyzed by the enzyme sphingomyelinase. Because sphingomyelin is one of the four common phospholipids found in the plasma membrane of cells, the implications of this method of generating ceramide is that the cellular membrane is the target of extracellular signals leading to programmed cell death. There has been research suggesting that when ionizing radiation causes apoptosis in some cells, the radiation leads to the activation of sphingomyelinase in the cell membrane and ultimately, to ceramide generation.[2]
2) De novo
De novo synthesis of ceramide begins with the condensation of palmitate and serine to form 3-keto-dihydrosphingosine. This reaction is catalyzed by the enzyme serine palmitoyl transferase and is the rate-limiting step of the pathway. In turn, 3-keto-dihydrosphingosine is reduced to dihydrosphingosine, which is then followed by acylation by the enzyme (dihydro)ceramide synthase to produce dihydroceramide. The final reaction to produce ceramide is catalyzed by dihydroceramide desaturase. De novo synthesis of ceramide occurs in the endoplasmic reticulum. Ceramide is subsequently transported to the Golgi apparatus by either vesicular trafficking or the ceramide transfer protein CERT. Once in the Golgi apparatus, ceramide can be further metabolized to other sphingolipids, such as sphingomyelin and the complex glycosphingolipids.[3]
3) Salvage pathway
Constitutive degradation of sphingolipids and glycosphingolipids takes place in the acidic subcellular compartments, the late endosomes and the lysosomes, with the end goal of producing sphingosine. In the case of glycosphingolipids, exohydrolases acting at acidic pH optima cause the stepwise release of monosaccharide units from the end of the oligosaccharide chains, leaving just the sphingosine portion of the molecule, which may then contribute to the generation of ceramides. Ceramide can be further hydrolyzed by acid ceramidase to form sphingosine and a free fatty acid, both of which are able to leave the lysosome, unlike ceramide. The long-chain sphingoid bases released from the lysosome may then re-enter pathways for synthesis of ceramide and/or sphingosine-1-phosphate. The salvage pathway re-utilizes long-chain sphingoid bases to form ceramide through the action of ceramide synthase. Thus, ceramide synthase family members probably trap free sphingosine released from the lysosome at the surface of the endoplasmic reticulum or in endoplasmic reticulum-associated membranes. The salvage pathway has been estimated to contribute from 50% to 90% of sphingolipid biosynthesis.[4]
세라마이드는 스핑고지질(sphingolipid)의 한 종류로서 스핑고신(sphingosine)과 지방산으로 구성된 분자입니다. 세라마이드는 세포막에 다량으로 존재하고 있으며, 세포성장, 분화, 사멸과 다양한 세포 신호전달에 관여하고 있습니다 (생화학백과). 피부 각질의 세포간지질의50%가 세라마이드로 구성되어 있습니다.
1. 세라마이드의 구조
세라마이드는 세포막을 구성하는 지질로 1개의 극성 머리 부분과 2개의 비극성 꼬리 부분을 가지고 있으나 글리세로인지질(glycerophospholipid)과 갈락토지질(galactolipid)과 달리 글리세롤을 함유하고 있지 않습니다. 스핑고지질은 18개 탄소로 구성된 스핑고신(아미노알코올) 또는 그 유도체 1분자, 긴 사슬의 지방산 1분자, 글라코사이드 결합 또는 인산에스터 결합을 통하여 연결되어 있는 극성 머리 부분으로 구성되어 있습니다. (그림 1).
그림1. 스핑고마이엘린과 세라마이드의 구조
그림2. 스핑고신-1-인산 생합성. 스핑고마이엘린, 세라마이드, 스핑고신, 스핑고신-1-인산 분자 각 구조
그림3. 지방 생성 및 분해과정.
글리세롤 1개와 지방산 3개가 축합하여 지방 생성하며, 가수분해를 통해 가역 반응하는 과정
2. 세라마이드의 합성
세라마이드 합성에는 3가지 주요 합성 경로가 존재합니다.
그림4. 스핑고지질과 세라마이드 합성 경로
1) 드노보 합성(de novo synthesis)경로
소포체(endoplasmic reticulum)에서 일어납니다. 그곳에서 아미노산 세린(serine)과 팔미토일-CoA(palmitoyl-CoA)가 전이효소에 의해 축합됩니다.
축합된 성분은 환원효소에 의해 환원되어 세라마이드 스핑가닌(sphinganine-세라마이드 합성효소-ceramide synthase)로 재생성되며,
이후 생성된 세라마이드 합성효소는 스핑가닌에 다른 사슬 길이의 아세틸-CoA 카복실레이스(Acetyl-CoA carboxylase)를 결합시켜
다이하이드로세라마이드(dihydroceramide)가 됩니다.
다이하이드로세라마이드는 다이하이드로세라마이드 불포화효소(dihydroceramide desaturase, DES)에 의해 세라마이드로 생성됩니다.
축약하자면 소포체 안에서 전이효소, 환원효소에 의해 세라마이드 합성효소가 되며 이는 다른 사슬 길이의 성분과 결합하여 세라마이드이원체(dihydroceramide)로 합성되며, 이는 불포화효소에 의해 분해되어 세라마이드로 생성됩니다. 각 전이과정에 필요한 효소와 특이 성분이 존재하는 것이 특징입니다. (Keyword: Ceramide synthesis by enzyme derived chain reaction)
2) 스핑고마이엘린 가수분해에 의한 세라마이드 합성 경로로서, 스핑고마이엘린 분해효소(sphingomyelinase) 경로는 세포막,
라이소좀, 골지 그리고 미토콘드리아에서 일어나며, 세포 외부로부터 전달되는 신호반응에 의해 활성화된 sphingomyelinase가
스핑고마이엘린을 가수분해하여 세라마이드 생성을 가역적으로 촉매합니다 (reversibly promoted).
Cell-signalling에 의해 촉진되어지는 현상으로서 세포 외부로부터 전달받은 신호반응 특이적입니다. (Keyword: Extracellular signal derived ceramide synthesis)
3) 셀비지 경로; 회수 경로(salvage pathway)를 통해서 세라마이드가 합성됩니다.
셀비지 경로는 엔도좀(late endosome)과 라이소좀(lysosome)에서 일어나며, 세라마이드 합성효소가 긴사슬의 스핑고이드
베이스(sphingoid base)를 세라마이드로 전환시킵니다.
가장 보편적인 회수 경로로 알려져 있는 유리 염기(free base)나 뉴클레오사이드(nucleoside)를 재이용하여
뉴클레오타이드(nucleotide)를 만드는 경로가 있다면 스핑고이드 베이스를 세라마이드로 변환하는 경로입니다.
(Keyword: 1인산 스핑고신 + 복합 스핑고지질) 피부 본연의 역동적인 특성을 세라마이드의 선구자라고 할 수 있는
두 성분인 피토스핑고신과 스핑고리피드는 피부가 더 많은 양의 세라마이드를 생산하도록 도와주는 역할을 합니다.
3. 세라마이드의 원리
그림5. 각질 세포 간 지질 조성비
세라마이드의 원리를 이해하기 위해서는 피부장벽의 원리부터 이해하는 것이 중요합니다. 피부장벽의 기능을 강화시키기 위하여 세라마이드가 사용되기 때문입니다.
피부장벽은 피부 보호를 위해 세균, 외부 오염 물질 등이 들어오지 못하게 막아주는 역할을 하는 동시에 필요한 물질은 선택적으로 흡수시키는 기능도 하고 있습니다.
피부를 통한 흡수는 모공이나 세포막을 통해 이루어 집니다. 보통 피부장벽의 구조를 ‘벽돌과 시멘트(brick and mortar) 모델’ 로 설명합니다.
층층이 열을 맞추어 벽돌을 잘 쌓아 놓고 그 사이사이에 시멘트로 견고한 장벽을 형성합니다. 여기서 벽돌은 각질세포,
콘크리트는 다양한 지질 복합체인 각질세포간 지질에 해당합니다. 이 또한 단일층이 아닌 중첩구조를 이루어서 외부의 이물질이나 세균,
수분이 침투되기 어려운 보호 기능을 완성하는 것 입니다. 요즘 세라마이드를 기반으로 한 다양한 화장품이 출시 되는 것은
세라마이드가 바로 이러한 피부 장벽에서 매우 중요한 역할을 하는 각질세포 간 지질의 주성분이기 때문입니다.
그러므로 세라마이드는 피부사이사이를 결합시키는 방법으로 보호막을 형성하여 수분손실을 막고 외부의 유해 환경 및 오염으로부터 보호합니다.
세라마이드는 지방산으로 피부에 보호막을 형성하여 수분이 증발하는 것을 감소시킵니다.
세라마이드가 부족한 피부는 피부 속 수분이 빨리 증발하며, 이로 인한 건조증으로 인해 피부가 갈라지거나, 피부결이 벗겨지기도 합니다.
4. 화장품 원료로 사용되는 세라마이드의 종류
그림6. 세라마이드는 15종 있으며(2014) 화장품에는 7종(EOP, NG, NS, NP, AS, AP, EOS) 사용 가능
세라마이드 1( Ceramide 1/ Ceramide a)의 이름이 세라마이드이오피(Ceramide EOP)로 바뀌었습니다.
세라마이드 2 (Ceramide 2) 세라마이드엔에스(Ceramide NS)
세라마이드 3 (Ceramide 3) 세라마이드 엔피(Ceramide NP)
세라마이드 4와 세라마이드 5(Ceramide 4/ Ceramide 5) 세라마이드 4와 5의 이름이 세라마이드에이에스(Ceramide AS)로 합쳐졌습니다.
세라마이드 6(Ceramide 6) 세라마이드에이피 (Ceramide AP)
5. 각 세라마이드의 기능
* 세라미드라는 기본 단위로서 길이가 늘어나면 스핑고지질이라 명칭합니다.
우리 피부조직에 있는 세라마이드는 여러종류가 있습니다. 이 세라마이드들은 각 화학적 구조와기능을 달리하지만, 우리 피부 속에서 다함께 작용합니다(cooperative effect). 각 세라마이드 종류를 혼합하여 같이 사용하였을때에 시너지 효과가 있으며 Ceramide NP(세라마이드 3)의 생체이용률(bioavailability)을 45% 이상으로 끌어올려주는 것으로 연구 된 바 있습니다. 그래서 실제로 시중에 판매되는 세라마이드 제품들은 세라마이드 각 종류로 두어개로 합성제조되어 판매되는 실정입니다.
표 1. 간의 표피 각질층에서 발견되는 디노보 세라마이드의 형태들. 아마이드 와 스핑고이드 베이스 와 지질이 서로 연결되며 형성된다. 스핑고이드 베이스는 각 dihydrosphingosine (dS), sphingosine (S), phytosphingosine (P)와 6-hydroxy sphingosine (H) 로 이루어 질 수 있습니다. 지질산 fatty acid (FA)는 non-hydroxyl with FA (N), α-hydroxyl fatty acid (A), 그리고 esterified ω-hydroxyl fatty acid (EO)형태를 띄기도 합니다. Cer, ceramide. (An et al. 2016;Nicolaou et al. 2017 )
6. 세라마이드 3이 원료로서 보편적으로 사용되는 이유
2011년 Janssens et al이 Journal of Investigative Dermatology에 발표한 결과에 따르면 아토피성 질환을 가진 환자들이 건강한 피부를 가진 사람보다
세라마이드 NP양이 현저히 낮게 확인 되었으며,NP를 제외한 나머지 세라마이드에 대한 함량은 두군 모두 비슷한 수준으로 확인되었습니다.
두 군의 모든 종류의 세라마이드 함량을 비교하였을 땐 세라마이드 NP 함량이 각각의 다른 종류의 세라마이드 보다 월등히 높은 수준으로 확인 되었으며,
각 다른 종류의 세라마이드 함량도 두군에게서 엇비슷한 수준으로 확인 되었습니다.
하지만 건강한 피부를 지닌 아시아인의 세라마이드 함량 분석 결과를 앞서 서양인에게서 도출한 자료와 비교하면
서양인에게서 낮게 검출되었던 세라마이드 EOP가 아시아인에게서 높게 검증되는 등 세라마이드 종류별 함량은 아토피성 질환 유무 보다
서양인/동양인 차이에 관련되어(relative) 있음을 확인 하였습니다.
그림 7. 화장품원료회사 (주)NCF 공개 자료 - Janssen et al 2011 Figure 2a인용
건강한피부(서양인), 아토피 피부(서양인), 건강한 피부(아시아인), 세 군에 대한 세라마이드 함량 실험 결과 3군 모두 세라마이드 3 (NP) 함량이 가장 높게 검출되었음으로,
세라마이드 3이 가장 보편적인 주원료로서 사용되는 것이 아닐까 유추하여 봅니다.
이 외에도 각 세라마이드를 섞어 만든 성분으로 water-loss(g) 시험을 하여 배분율을 어떻게 하면,
또 어떤 세라마이드를 어떤 세라마이드와 섞으면, 수분 손실을 줄일 수 있는지도 알아보는 시험 결과가 있었습니다.
그림 8. 화장품원료회사 (주)NCF 공개 자료 - 각 세라마이드 배합에 따른 수분 상실
해당 실험에서는 세라마이드 총 합량을 0.4%로 잡았으나, 본래는 0.2% 가 가장 흔하다고 합니다 (Belsito 2014).
7. 세라마이드의 효능
주효능 – 수분, 보습, 피부장벽 강화
부가효능 – 피부 민감함 감소, 피부 노화 방지, 탄력감 증가, 아토피 억제, 산화작용 억제
피부 필요 성분의 보충제 역활(supplementary)로서 노화 방지에 탁월하며, 외부 오염 물질로부터 보호 합니다.
피부장벽 강화 효과를 볼 수 있으며, 건조 현상이 줄어드는 것을 확인 할 수 있습니다.
지속적으로 사용 시 부드러움과 탄력이 증가 한 것을 확인 할 수 있으며, 주름과 피부 민감성이 감소 하는 것을 확인 할 수 있습니다.
또한, 세라마이드는 피부보호, 피부 컨디셔닝 뿐만 아니라 헤어 컨디셔닝에도 사용됩니다.
8. 기타 사항
화장품용 세라마이드는 보통 식물성 원료에서 얻어냅니다.
보통 맥아/밀배아/소맥배아(wheat germ)에서 얻어 내거나 인위적 합성이 가장 흔하며 특이적으로 선호되는 추출 방법(deriving method)은 없는 것으로 알려져 있습니다.
* 참고문헌
An et al. 2016. Intercellular and intracellular functions of ceramides and their metabolites in skin (Review). International Journal of Molecular Medicine. Retreived from (https://www.spandidos-publications.com/10.3892/ijmm.2016.2600)
Belsito DV. 2014. Safety Assessment of Ceramides as Used in Cosmetics. Cosmetic Ingredient Review. Retreived from (https://www.cir-safety.org/sites/default/files/ceramides.pdf)
Janssens M. et al. 2011. Lamellar Lipid Organization and Ceramide Composition in the Stratum Corneum Of Patients with Atopic Eczema. Retrieved from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21716325
https://www.health.harvard.edu/staying-healthy/finding-the-right-serum-for-your-skin
Kwon et al. The Effect on the Skin Barrier Function of Ceramide(link: http://www.e-ajbc.org/upload/pdf/108.pdf)
Nicolaou et al. 2017. Lipid functions in skin: Differential effects of n-3 polyunsaturated fatty acids on cutaneous ceramides, in a human skin organ culture model. Biochimica et Biophysica Acta(BBA) – Biomembranes. Retreived from (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0005273617300986)
신규옥, 헬스조선, 알수록 재미있는 피부의 비밀(link: http://health.chosun.com/site/data/html_dir/2017/05/29/2017052901937.html)
Cherney Kristeen, E
verything You Should Know About Using Ceramides
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