Keratyna - Keratin

Mikroskopia włókien keratynowych wewnątrz komórek

Keratyna ( / K ɛr ə t ɪ n / ) jest jednym z rodziny białek strukturalnych włóknistych zwanych Skleroproteiny . α-Keratyna to rodzaj keratyny występujący u kręgowców. Jest kluczowym materiałem konstrukcyjnym tworzącym łuski , włosy , paznokcie , pióra , rogi , pazury , kopyta , modzele i zewnętrzną warstwę skóry u kręgowców. Keratyna chroni również komórki nabłonka przed uszkodzeniem lub stresem. Keratyna jest wyjątkowo nierozpuszczalna w wodzie i rozpuszczalnikach organicznych. Monomery keratyny łączą się w wiązki, tworząc włókna pośrednie , które są twarde i tworzą silne niezmineralizowane wyrostki naskórkowe występujące u gadów , ptaków , płazów i ssaków . Nadmierna keratynizacja uczestniczy we wzmacnianiu niektórych tkanek, np. rogów bydła i nosorożców oraz osteodermy pancerników. Jedyną inną materią biologiczną , o której wiadomo, że jest zbliżona do twardości zrogowaciałej tkanki, jest chityna . Keratyna występuje w dwóch rodzajach: prymitywne, bardziej miękkie formy występujące u wszystkich kręgowców i twardsze formy pochodne występujące tylko u zauropsydów (gadów i ptaków). Keratyna jest odporna na trawienie, dlatego koty zwracają kulki włosowe .

Jedwab pajęczy jest klasyfikowany jako keratyna, chociaż produkcja białka mogła ewoluować niezależnie od tego procesu u kręgowców.

Przykłady występowania

Te rogi z Impala wykonane keratyny obejmujący rdzeń z kości .

α-keratyny występują u wszystkich kręgowców. Tworzą one sierść (w tym wełnę ), zewnętrzną warstwę skóry , rogi , paznokcie , pazury i kopyta ssaków oraz śluzowce śluzic . Włókna keratynowe są bogate w keratynocytach w hornified warstwie naskórka ; są to białka, które uległy keratynizacji . Są one również ogólnie obecne w komórkach nabłonka. Na przykład, mysie komórki nabłonka grasicy reagują z przeciwciałami dla keratyny 5, keratyny 8 i keratyny 14. Te przeciwciała są stosowane jako markery fluorescencyjne do rozróżniania podzbiorów mysichkomórek nabłonka grasicy w badaniach genetycznych grasicy .

Twardsze beta-keratynom występują tylko w zauropsydy , czyli wszystkie żywe gady i ptaki . Można je znaleźć w paznokciach, wagi i pazury płazów , gadów, w niektórych powłok ( Testudines , takich jak ó , ó , żółwia ), a w piór , dziobem i pazury ptaków . Keratyny te powstają głównie w arkuszach beta . Jednak arkusze beta znajdują się również w α-keratynach. W fiszbin płyt filtracyjnych karmienia wielorybów wykonane keratyny. Ostatnie badania wykazały, że β-keratyny sauropsydu zasadniczo różnią się od α-keratyn na poziomie genetycznym i strukturalnym. Zaproponowano nowy termin rogowe białko beta (CBP), aby uniknąć pomyłek z α-keratynami.

Keratyny (także opisane jako cytokeratyny ) to polimery typu I i typu II filamentów pośrednich , które były znalezione tylko w strunowców ( kręgowce , amphioxus , urochordates ). Nicienie i wiele innych zwierząt bez strunowców wydaje się mieć tylko włókna pośrednie typu VI , włókna, które tworzą strukturę jądra .

Geny

Keratyny neutralno-zasadowe są zakodowane na chromosomie 12 (12q13.13).
Kwaśne keratyny są zakodowane na chromosomie 17 (17q21.2).

Przez ludzki genom koduje 54 funkcjonalne keratynowych genów , zlokalizowanych w dwóch partiach na chromosomy 12 i 17. Wskazuje to, że pochodzi się z szeregu duplikacji genów w tych chromosomów.

W keratynom, obejmują następujące białka, które KRT23 , KRT24 , KRT25 , KRT26 , KRT27 , KRT28 , KRT31 , KRT32 , KRT33A , KRT33B , KRT34 , KRT35 , KRT36 , KRT37 , KRT38 , KRT39 , KRT40 , KRT71 , KRT72 , KRT73 , KRT74 , KRT75 , KRT76 , KRT77 , KRT78 , KRT79 , KRT8 , KRT80 , KRT81 , KRT82 , KRT83 , KRT84 , KRT85 i KRT86 zostały użyte do opisania keratyn po 20. roku życia.

Dopasowanie sekwencji białka ludzkiej keratyny 1, 2A, 3,4, 5, 6A, 7 i 8 (KRT1 – KRT8). Powyżej pokazano tylko pierwszą domenę pręta. Alignment został stworzony przy użyciu Clustal Omega .

Struktura białka

Pierwsze sekwencje keratyn określili Israel Hanukoglu i Elaine Fuchs (1982, 1983). Sekwencje te ujawniły, że istnieją dwie odrębne, ale homologiczne rodziny keratyn, które nazwano keratynami typu I i typu II. Poprzez analizę struktur pierwszorzędowych tych keratyn i innych białek filamentów pośrednich, Hanukoglu i Fuchs zasugerowali model, w którym keratyny i białka filamentów pośrednich zawierają centralną domenę ~310 reszt z czterema segmentami w konformacji α-helikalnej, które są oddzielone trzema krótkimi łącznikami przewiduje się, że segmenty będą w konformacji beta-zwrotu. Model ten został potwierdzony określeniem struktury krystalicznej helikalnej domeny keratyn.

Keratyna (wysoka masa cząsteczkowa) w komórkach dróg żółciowych i owalnych komórkach wątroby końskiej .

Włókniste cząsteczki keratyny superzwijają się, tworząc bardzo stabilny, lewoskrętny motyw superhelikalny, który multimeryzuje, tworząc włókna składające się z wielu kopii monomeru keratyny .

Główną siłą, która utrzymuje strukturę zwoju cewki, są oddziaływania hydrofobowe między apolarnymi resztami wzdłuż spiralnych segmentów keratyn.

Ograniczona przestrzeń wewnętrzna jest powodem, dla którego potrójna helisa (niepowiązanego) białka strukturalnego kolagenu , znajdującego się w skórze , chrząstce i kościach , również ma wysoki procent glicyny . Łącznikowa białka tkanki elastyny ma również wysoki odsetek zarówno glicyna i alanina . Fibroina jedwabiu , uważana za β-keratynę, może mieć te dwa składniki jako 75–80% całości, z 10–15% seryną , a reszta ma duże grupy boczne. Łańcuchy są antyrównoległe, z naprzemienną orientacją C → N. Przewaga aminokwasów z małymi, niereaktywnymi grupami bocznymi jest charakterystyczna dla białek strukturalnych, dla których ścisłe upakowanie wiązaniami H jest ważniejsze niż specyficzność chemiczna .

Mostki dwusiarczkowe

Oprócz wewnątrz- i międzycząsteczkowych wiązań wodorowych , wyróżniającą cechę keratyny jest obecność dużej ilości od siarki Niezawierające aminokwasowej cysteiny , wymaganych do mostków dwusiarczkowych , które nadają większą wytrzymałość i sztywność przy stałego, stabilnego termicznie sieciowaniu -w znacznie w ten sam sposób, w jaki niebiałkowe mostki siarkowe stabilizują wulkanizowany kauczuk . Ludzki włos zawiera około 14% cysteiny. Gryzący zapach spalania włosów i skóry spowodowane są lotnymi związkami siarki powstały. Rozległe wiązania dwusiarczkowe przyczyniają się do nierozpuszczalności keratyn, z wyjątkiem niewielkiej liczby rozpuszczalników, takich jak środki dysocjujące lub redukujące .

Bardziej elastyczne i elastyczne keratyny włosów mają mniej międzyłańcuchowych mostków dwusiarczkowych niż keratyny w paznokciach , kopytach i pazurach ssaków (struktury homologiczne), które są twardsze i bardziej przypominają ich analogi z innych klas kręgowców. Włosy i inne a keratynom składa się z a-spiralnie zwinięty pojedynczych pasm białka (z regularnym wewnątrz łańcucha H wiązania ), które następnie są skręcone w superhelikalnej lin , które mogą być następnie zwijane. Keratyny β-keratyny gadów i ptaków mają skręcone ze sobą plisy β, a następnie stabilizowane i utwardzane mostkami dwusiarczkowymi.

Tworzenie żarnika

Zaproponowano, że keratyny można podzielić na formy „twarde” i „miękkie” lub „ cytokeratyny ” i „pozostałe keratyny”. Ten model jest obecnie rozumiany jako poprawny. Uwzględnia to nowy dodatek jądrowy w 2006 r. do opisu keratyn.

Włókna keratynowe są włóknami pośrednimi . Jak wszystkie włókna pośrednie, białka keratynowe tworzą polimery nitkowate w serii etapów składania, rozpoczynających się od dimeryzacji; dimery łączą się w tetramery i oktamery, a ostatecznie, jeśli aktualna hipoteza jest słuszna, we włókna o jednostkowej długości (ULF) zdolne do wygrzewania się od końca do końca w długie włókna.

Łączenie w pary

A (neutralny-podstawowy) B (kwaśny) Występowanie
keratyna 1 , keratyna 2 keratyna 9 , keratyna 10 warstwa rogowa naskórka , keratynocyty
keratyna 3 keratyna 12 rogówka
keratyna 4 keratyna 13 nabłonek warstwowy
keratyna 5 keratyna 14 , keratyna 15 nabłonek warstwowy
keratyna 6 keratyna 16 , keratyna 17 nabłonek płaski
keratyna 7 keratyna 19 nabłonek przewodowy
keratyna 8 keratyna 18 , keratyna 20 prosty nabłonek

Zrogowaciały

Rogowacenie to proces tworzenia bariery naskórkowej w warstwowej tkance nabłonka płaskiego. Na poziomie komórkowym rogowacenie charakteryzuje się:

Metabolizm ustaje, a komórki są prawie całkowicie wypełnione keratyną. Podczas procesu różnicowania nabłonka komórki ulegają rogowaceniu, ponieważ białko keratynowe jest włączane w dłuższe włókna pośrednie keratyny. W końcu jądro i organelle cytoplazmatyczne znikają, metabolizm ustaje, a komórki przechodzą zaprogramowaną śmierć, gdy stają się całkowicie zrogowaciałe. W wielu innych typach komórek, takich jak komórki skóry właściwej, włókna keratynowe i inne włókna pośrednie działają jako część cytoszkieletu, aby mechanicznie stabilizować komórkę przed stresem fizycznym. Czyni to poprzez połączenia z desmosomami, blaszkami łączącymi komórka-komórka i hemidesmosomami, strukturami adhezyjnymi błony podstawnej komórki.

Komórki naskórka zawierają strukturalną macierz keratynową, która sprawia, że ​​ta najbardziej zewnętrzna warstwa skóry jest niemal wodoodporna, a wraz z kolagenem i elastyną nadaje skórze jej wytrzymałość. Pocieranie i ucisk powodują pogrubienie zewnętrznej, zrogowaciałej warstwy naskórka i tworzą ochronne modzele, które przydają się sportowcom oraz na opuszkach palców muzyków grających na instrumentach strunowych. Zrogowaciałe komórki naskórka są stale złuszczane i zastępowane.

Te twarde, powłokowe struktury powstają w wyniku międzykomórkowego cementowania włókien utworzonych z martwych, zrogowaciałych komórek generowanych przez wyspecjalizowane łóżka głęboko w skórze. Włosy stale rosną, a pióra topią się i regenerują. Białka składowe mogą być filogenetycznie homologiczne, ale różnią się nieco budową chemiczną i organizacją nadcząsteczkową. Relacje ewolucyjne są złożone i tylko częściowo poznane. Zidentyfikowano wiele genów dla β-keratyn w piórach i jest to prawdopodobnie charakterystyczne dla wszystkich keratyn.

Jedwab

W jedwabne Fibroina produkowane przez owady i pająki są często klasyfikowane jako keratyny, choć nie jest jasne, czy są one związane z filogenetycznie keratyny kręgowych.

Jedwab występujący w poczwarkach owadów oraz w pajęczynach i osłonkach jaj również ma skręcone β-fałdy wkomponowane we włókna zwinięte w większe skupiska nadcząsteczkowe. Struktura dysz przędzalniczych na ogonach pająków oraz wkład ich wewnętrznych gruczołów zapewniają niezwykłą kontrolę nad szybką ekstruzją . Jedwab pajęczy ma zazwyczaj grubość od około 1 do 2 mikrometrów (µm), w porównaniu z około 60 µm w przypadku włosów ludzkich i więcej u niektórych ssaków. Te biologiczne i komercyjnie użyteczne właściwości włókien jedwabiu zależy od organizacji wielu łańcuchów białkowych przylega do twardych krystalicznych obszarów o różnej wielkości, na przemian z elastycznych, amorficznych obszarów w których łańcuchy są losowo zwinięte . Nieco analogiczna sytuacja ma miejsce w przypadku polimerów syntetycznych, takich jak nylon , opracowany jako substytut jedwabiu. Jedwab z kokonu szerszeni zawiera dublety o średnicy około 10 µm, z rdzeniami i powłoką, i może być ułożony w do 10 warstw, także w blaszki o zmiennym kształcie. Dorosłe szerszenie również używają jedwabiu jako kleju , podobnie jak pająki.

Znaczenie kliniczne

Niektóre zakaźne grzyby , takie jak te, które wywołują grzybicę stóp i grzybicy (tj dermatofity ) żywią się keratyny.

Do chorób wywołanych mutacjami w genach keratyny należą:

Ekspresja keratyny jest pomocna w określaniu pochodzenia nabłonkowego w nowotworach anaplastycznych . Nowotwory z ekspresją keratyny obejmują raki , grasiczaki , mięsaki i nowotwory trofoblastyczne . Co więcej, precyzyjny wzorzec ekspresji podtypów keratyny umożliwia przewidywanie pochodzenia guza pierwotnego podczas oceny przerzutów . Na przykład, raki wątrobowokomórkowe zazwyczaj wyrażają CK8 i CK18, a rak dróg żółciowych wyrażają CK7, CK8 i CK18, podczas gdy przerzuty raków jelita grubego wyrażają CK20, ale nie CK7.

Keratyna jest wysoce odporna na działanie kwasów trawiennych po spożyciu, jak to ma miejsce w ludzkim zaburzeniu trichofagii . Tak więc koty (które myją się językiem) regularnie zjadają sierść, co prowadzi do stopniowego tworzenia się kuli włosowej, która może być zwymiotowana. Zespół Roszpunki , niezwykle rzadki, ale potencjalnie śmiertelny stan jelit u ludzi, jest spowodowany trichofagią.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki