Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с каротином .
Микроскопия кератиновых волокон внутри клеток.

Кератин ( / к ɛr ə т ɪ п / [1] [2] ) является одним из семейства волокнистых структурных белков , известных как склеропротеинов . α-Кератин - это тип кератина, обнаруженный у позвоночных. Это ключевой структурный материал, из которого состоят чешуя , волосы , ногти , перья , рога , когти , копыта , мозоли и внешний слой кожи у позвоночных. Кератин также защищает эпителиальныйклетки от повреждений или стресса. Кератин крайне нерастворим в воде и органических растворителях. Мономеры кератина собираются в пучки, образуя прочные промежуточные филаменты , которые образуют прочные неминерализованные эпидермальные придатки, обнаруживаемые у рептилий , птиц , амфибий и млекопитающих . [3] [4] Единственным другим биологическим веществом, которое, как известно, приблизительно соответствует прочности ороговевшей ткани, является хитин . [5] [6] [7]Кератин бывает двух типов: примитивные, более мягкие формы, встречающиеся у всех позвоночных, и более твердые, производные формы, встречающиеся только у зауропсидов (рептилий и птиц). Кератин препятствует перевариванию, поэтому кошки срыгивают комочки шерсти.

Паучий шелк классифицируется как кератин, хотя производство белка могло развиваться независимо от процесса у позвоночных.

Примеры появления [ править ]

Рога импалы сделаны из кератина, покрывающего костную основу.

Рога, такие как рога импалы , сделаны из кератина, покрывающего костную основу.

Кератин нити в изобилии кератиноцитов в ороговевшем слое эпидермиса ; это белки, подвергшиеся ороговению. Они также присутствуют в эпителиальных клетках в целом. Например, эпителиальные клетки тимуса мыши реагируют с антителами к кератину 5, кератину 8 и кератину 14. Эти антитела используются в качестве флуоресцентных маркеров для различения подмножеств эпителиальных клеток тимуса мыши при генетических исследованиях тимуса.

  • что альфа-кератины обнаружены у всех позвоночных. Они образуют волосы (включая шерсть ), внешний слой кожи , рога , ногти , когти и копыта млекопитающих и слизистые нити миксины. [4]
  • более твердые β-кератины обнаруживаются только у завропсид , то есть у всех живых рептилий и птиц. Они находятся в ногтях, чешуе и когтях рептилий , в панцирях некоторых рептилий ( Testudines , например, черепахи , черепахи , черепахи ), а также в перьях , клювах и когтях птиц . [8] (Эти кератины образуются в основном в бета-листах . Однако бета-листы также обнаруживаются в альфа-кератинах.) [9]

В усе пластина фильтр кормления китов сделаны из кератина.

Кератины (также называемые цитокератинами ) представляют собой полимеры промежуточных филаментов типа I и типа II , которые были обнаружены только у хордовых (позвоночные, Amphioxus, urochordates). У нематод и многих других нехордовых животных, кажется, есть только промежуточные волокна типа VI , волокна, которые структурируют ядро .

Гены [ править ]

Нейтрально-основные кератины кодируются на хромосоме 12 (12q13.13).
Кислые кератины кодируются на хромосоме 17 (17q21.2).

Геном человека кодирует 54 функциональных гена кератина , расположенных в двух кластерах на хромосомах 12 и 17. Это предполагает, что они произошли от серии дупликаций генов на этих хромосомах. [10]

Кератины включают следующие белки, из которых KRT23 , KRT24 , KRT25 , KRT26 , KRT27 , KRT28 , KRT31 , KRT32 , KRT33A , KRT33B , KRT34 , KRT35 , KRT36 , KRT37 , KRT38 , KRT39 , KRTR73 , KRTR73 , KRTR73 , KRT40 , KRTR73 , KRT74 , KRT40 КРТ75 , КРТ76 , КРТ77 ,KRT78 , KRT79 , KRT8 , KRT80 , KRT81 , KRT82 , KRT83 , KRT84 , KRT85 и KRT86 использовались для описания кератинов старше 20 лет. [11]

Выравнивание последовательности белков человеческого кератина 1, 2A, 3,4, 5, 6A, 7 и 8 (KRT1 - KRT8). Выше показан только первый домен стержня. Выравнивание было создано с помощью Clustal Omega .

Структура белка [ править ]

Первые последовательности кератинов были определены Израилем Ханукоглу и Элейн Фукс . [12] [13] Эти последовательности показали, что существует два различных, но гомологичных семейства кератинов, которые были названы кератинами типа I и типа II. [13] Путем анализа первичных структур этих кератинов и других белков промежуточных филаментов Ханукоглу и Фукс предложили модель, в которой кератины и белки промежуточных филаментов содержат центральный домен из ~ 310 остатков с четырьмя сегментами в α-спиральной конформации, которые разделены три коротких линкерных сегмента, как предполагается, находятся в конформации бета-поворота. [13]Эта модель была подтверждена определением кристаллической структуры спирального домена кератинов. [14]

Кератин (высокомолекулярный) в клетках желчных протоков и овальных клетках печени лошади.

Волокнистые молекулы кератина сворачиваются в суперспираль, образуя очень стабильный левосторонний сверхспиральный мотив для мультимеризации, образуя нити, состоящие из множества копий мономера кератина . [15]

Основная сила, которая поддерживает структуру спиральной спирали, - это гидрофобные взаимодействия между аполярными остатками вдоль спиральных сегментов кератина. [16]

Ограниченное внутреннее пространство является причиной того, почему тройная спираль (несвязанного) структурного белка коллагена , обнаруженного в коже, хрящах и костях , также имеет высокий процент глицина. Белок соединительной ткани эластин также имеет высокий процент глицина и аланина. Фиброин шелка , который считается β-кератином, может содержать эти два компонента в количестве 75–80% от общего количества, с 10–15% серина, а остальные имеют объемные боковые группы. Цепи антипараллельны, с чередующейся ориентацией C → N. [17] Преобладание аминокислот с небольшими, нереактивнымибоковые группы характерны для структурных белков, для которых плотная упаковка с водородными связями более важна, чем химическая специфичность .

Дисульфидные мостики [ править ]

Помимо внутри- и межмолекулярных водородных связей, отличительной чертой кератинов является наличие большого количества серосодержащей аминокислоты цистеина , необходимой для дисульфидных мостиков, которые придают дополнительную прочность и жесткость за счет постоянного, термически стабильного сшивания [18] - почти так же, как небелковые серные мостики стабилизируют вулканизированный каучук . Человеческие волосы примерно на 14% состоят из цистеина. Резкий запах горящих волос и кожи возникает из-за образующихся летучих соединений серы. Обширное дисульфидное связывание способствует нерастворимости кератинов, за исключением небольшого количества растворителей, таких как диссоциацияили восстановители .

Более гибкие и эластичные кератины волос имеют меньше межцепочечных дисульфидных мостиков, чем кератины в ногтях , копытах и ​​когтях млекопитающих (гомологичные структуры), которые тверже и больше похожи на свои аналоги из других классов позвоночных. Волосы и другие α-кератины состоят из α-спирально свернутых одиночных белковых нитей (с регулярными внутрицепочечными Н-связями ), которые затем скручиваются в сверхспиральные веревки, которые можно дополнительно свернуть. Β-кератины рептилий и птиц имеют β-складчатые листы, скрученные вместе, затем стабилизированные и упрочненные дисульфидными мостиками.

Формирование нити [ править ]

Было высказано предположение, что кератины можно разделить на «твердые» и «мягкие» формы или « цитокератины » и «другие кератины». [ требуется пояснение ] Эта модель теперь считается правильной. Это учтено в новом ядерном дополнении 2006 года для описания кератинов. [11]

Кератиновые нити - это промежуточные нити . Как и все промежуточные филаменты, кератиновые белки образуют нитевидные полимеры в серии этапов сборки, начиная с димеризации; димеры собираются в тетрамеры и октамеры и в конечном итоге, если текущая гипотеза верна, в филаменты единичной длины (ULF), способные отжигаться от конца к концу в длинные филаменты.

Сопряжение [ править ]

А (нейтральный-основной)B (кислотный)Вхождение
кератин 1 , кератин 2кератин 9 , кератин 10роговой слой , кератиноциты
кератин 3кератин 12роговица
кератин 4кератин 13многослойный эпителий
кератин 5кератин 14 , кератин 15многослойный эпителий
кератин 6кератин 16 , кератин 17плоский эпителий
кератин 7кератин 19протоковый эпителий
кератин 8кератин 18 , кератин 20простой эпителий

Корнификация [ править ]

Корнификация - это процесс формирования эпидермального барьера в многослойной ткани плоского эпителия. На клеточном уровне ороговение характеризуется:

  • производство кератина
  • выработка небольших белков, богатых пролином (SPRR) и трансглютаминазы, которые в конечном итоге образуют ороговевшую клеточную оболочку под плазматической мембраной
  • терминальная дифференциация
  • потеря ядер и органелл на последних стадиях ороговения

Метаболизм прекращается, и клетки почти полностью заполняются кератином. В процессе дифференцировки эпителия клетки становятся ороговевшими, поскольку белок кератина включается в более длинные промежуточные волокна кератина. В конце концов ядро ​​и цитоплазматические органеллы исчезают, метаболизм прекращается, и клетки подвергаются запрограммированной смерти, поскольку они полностью ороговевшие. Во многих других типах клеток, таких как клетки дермы, кератиновые нити и другие промежуточные нити функционируют как часть цитоскелета, чтобы механически стабилизировать клетку против физического стресса. Он делает это через связи с десмосомами, бляшками межклеточного соединения и гемидесмосомами, адгезивными структурами клеточно-базальной мембраны.

Клетки эпидермиса содержат структурную матрицу кератина, которая делает этот внешний слой кожи почти водонепроницаемым, а вместе с коллагеном и эластином придает коже ее прочность. Растирание и давление вызывают утолщение внешнего ороговевшего слоя эпидермиса и образуют защитные мозоли, которые полезны для спортсменов и на кончиках пальцев музыкантов, играющих на струнных инструментах. Кератинизированные клетки эпидермиса постоянно сбрасываются и заменяются.

Эти твердые покровные структуры образуются за счет межклеточного цементирования волокон, образованных из мертвых ороговевших клеток, образованных специализированными слоями глубоко внутри кожи. Волосы постоянно растут, а перья линяют и регенерируют. Составляющие белки могут быть филогенетически гомологичными, но несколько различаться по химической структуре и надмолекулярной организации. Эволюционные отношения сложны и известны лишь частично. Было обнаружено множество генов β-кератинов в перьях, и это, вероятно, характерно для всех кератинов.

Шелк [ править ]

В шелковых fibroins продуцируемые насекомыми и пауками , часто классифицируются как кератинов, хотя неясно , являются ли они филогенетически связаны с позвоночными кератинов.

Шелк, обнаруженный в куколках насекомых , а также в паутинах и оболочках яиц, также имеет скрученные β-складки, включенные в волокна, намотанные в более крупные надмолекулярные агрегаты. Структура фильер на хвостах пауков и вклад их внутренних желез обеспечивают замечательный контроль над быстрой экструзией . Паутинный шелк обычно имеет толщину от 1 до 2 микрометров (мкм) по сравнению с примерно 60 мкм для человеческого волоса и более у некоторых млекопитающих. Эти биологически и коммерчески полезные свойства волокон шелка зависят от организации множества смежных белковых цепей в твердые, кристаллическийобласти разного размера, чередующиеся с гибкими аморфными областями, в которых цепи беспорядочно скручены . [19] В некоторой степени аналогичная ситуация наблюдается с синтетическими полимерами, такими как нейлон , разработанными как заменитель шелка. Шелк из кокона шершня содержит дублеты диаметром около 10 мкм, с сердцевиной и покрытием и может располагаться до 10 слоев, в том числе в виде бляшек различной формы. Взрослые шершни также используют в качестве клея шелк , как и пауки.

Клиническое значение [ править ]

Некоторые инфекционные грибы , например, вызывающие микоз и стригущий лишай (например, дерматофиты ), питаются кератином. [20]

Заболевания, вызванные мутациями в генах кератина, включают:

  • Простой буллезный эпидермолиз
  • Буллезный ихтиоз Сименса
  • Эпидермолитический гиперкератоз
  • Множественная стеатоцистома
  • Кератоз глотки
  • Формирование рабдоидных клеток при крупноклеточной карциноме легкого с рабдоидным фенотипом [21] [22]

Экспрессия кератина помогает определить эпителиальное происхождение анапластического рака. Опухоли, которые экспрессируют кератин, включают карциномы , тимомы , саркомы и трофобластические новообразования . Кроме того, точный характер экспрессии подтипов кератина позволяет прогнозировать происхождение первичной опухоли при оценке метастазов . Например, гепатоцеллюлярные карциномы обычно экспрессируют K8 и K18, а холангиокарциномы экспрессируют K7, K8 и K18, тогда как метастазы колоректальной карциномы экспрессируют K20, но не K7. [23]

Кератин обладает высокой устойчивостью к пищеварительным кислотам при проглатывании, как это происходит при трихофагии у человека . Таким образом, кошки (которые ухаживают за собой языком) регулярно проглатывают шерсть, что приводит к постепенному образованию комка шерсти, который может быть рвотным . Синдром Рапунцель , чрезвычайно редкое, но потенциально смертельное заболевание кишечника у людей, вызывается трихофагией.

См. Также [ править ]

  • Список кожных заболеваний, вызванных мутациями кератинов
  • Список кератинов, экспрессируемых в покровной системе человека
  • Список кератинов

Ссылки [ править ]

  1. ^ 2-е издание OED , 1989 как / ˈkɛrətɪn /
  2. ^ Запись «кератин» в онлайн-словаре Merriam-Webster .
  3. ^ Фрейзер, RDB (1972). Кератины: их состав, структура и биосинтез . Баннерстоун Хаус: Чарльз Томас. С. 3–6. ISBN 978-0-398-02283-9.
  4. ^ а б Ван, Бин (2016). «Кератин: структура, механические свойства, наличие в биологических организмах и усилия при биоинспирации» . Прогресс в материаловедении . 76 : 229–318. DOI : 10.1016 / j.pmatsci.2015.06.001 .
  5. ^ "Кератин" . Интернет-словарь Вебстера .
  6. ^ Винсент, Джулиан FV; Вегст, Ульрике Г.К. (июль 2004 г.). «Конструкция и механические свойства кутикулы насекомых». Строение и развитие членистоногих . 33 (3): 187–199. DOI : 10.1016 / j.asd.2004.05.006 . PMID 18089034 . 
  7. ^ Томболато, Лука; Новицкая, Екатерина Е .; Чен, По-Ю; Шеппард, Фред А .; МакКиттрик, Джоанна (февраль 2010 г.). «Микроструктура, упругие свойства и механизмы деформации рогового кератина». Acta Biomaterialia . 6 (2): 319–330. DOI : 10.1016 / j.actbio.2009.06.033 . PMID 19577667 . 
  8. ^ Хикман, Кливленд Пендлтон; Робертс, Ларри С .; Ларсон, Аллан Л. (2003). Интегральные принципы зоологии . Дубьюк, ИА: Макгроу-Хилл. п. 538 . ISBN 978-0-07-243940-3.
  9. ^ Креплак, Л .; Doucet, J .; Dumas, P .; Брики, Ф. (июль 2004 г.). «Новые аспекты перехода от α-спирали к β-листу в растянутых твердых α-кератиновых волокнах» . Биофизический журнал . 87 (1): 640–647. DOI : 10.1529 / biophysj.103.036749 . PMC 1304386 . PMID 15240497 .  
  10. ^ Молл, Роланд; Диво, Маркус; Лангбейн, Лутц (2007-05-07). «Кератины человека: биология и патология» . Гистохимия и клеточная биология . 129 (6): 705–733. DOI : 10.1007 / s00418-008-0435-6 . ISSN 0948-6143 . PMC 2386534 . PMID 18461349 .   
  11. ^ a b Schweizer J, Bowden PE, Coulombe PA, et al. (Июль 2006 г.). «Новая согласованная номенклатура кератинов млекопитающих» . J. Cell Biol . 174 (2): 169–74. DOI : 10,1083 / jcb.200603161 . PMC 2064177 . PMID 16831889 .  
  12. ^ Ханукоглу, I .; Fuchs, E. (ноябрь 1982 г.). «Последовательность кДНК эпидермального кератина человека: расхождение последовательности, но сохранение структуры среди белков промежуточных филаментов» . Cell . 31 (1): 243–52. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (82) 90424-X . PMID 6186381 . S2CID 35796315 .  
  13. ^ a b c Hanukoglu, I .; Fuchs, E. (июль 1983 г.). «Последовательность кДНК кератина цитоскелета типа II выявляет постоянные и вариабельные структурные домены среди кератинов» . Cell . 33 (3): 915–24. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (83) 90034-X . PMID 6191871 . S2CID 21490380 .  
  14. ^ Ли, CH .; Kim, MS; Chung, BM .; Лихи, ди-джей; Куломб, Пенсильвания. (Июль 2012 г.). «Структурные основы гетеромерной сборки и перинуклеарной организации кератиновых филаментов» . Nat Struct Mol Biol . 19 (7): 707–15. DOI : 10.1038 / nsmb.2330 . PMC 3864793 . PMID 22705788 .  
  15. ^ Воет, Дональд; Воет, Джудит; Пратт, Шарлотта. «Белки: трехмерная структура» (PDF) . Основы биохимии . п. 158 . Проверено 1 октября 2010 . Волокнистые белки характеризуются одним типом вторичной структуры: кератин представляет собой левую спираль из двух спиралей.
  16. ^ Hanukoglu I, Ezra L (январь 2014). «Протеопедия: спиральная структура кератинов». Биохим Мол Биол Образов . 42 (1): 93–94. DOI : 10.1002 / bmb.20746 . PMID 24265184 . S2CID 30720797 .  
  17. ^ «Вторичный белок» . Elmhurst.edu. Архивировано из оригинала на 2010-09-22 . Проверено 23 сентября 2010 .
  18. ^ "Что такое кератин?" . WiseGEEK . Дата обращения 11 мая 2014 .
  19. ^ Австралия. «Пауки - Шелковая структура» . Amonline.net.au. Архивировано из оригинала на 2009-05-08 . Проверено 23 сентября 2010 .
  20. ^ Мерсер, Дерри К; Стюарт, Колин С (2019-01-01). «Гидролиз кератина дерматофитами» . Медицинская микология . 57 (1): 13–22. DOI : 10.1093 / MMY / myx160 . ISSN 1369-3786 . 
  21. ^ Сирацучи Х., Сайто Т, Сакамото А и др. (Февраль 2002 г.). «Мутационный анализ гена цитокератина 8 человека в злокачественной рабдоидной опухоли: возможная связь с образованием внутрицитоплазматических телец включения» . Мод. Патол . 15 (2): 146–53. DOI : 10.1038 / modpathol.3880506 . PMID 11850543 . 
  22. ^ Itakura E, Tamiya S, Morita K и др. (Сентябрь 2001 г.). «Субклеточное распределение цитокератина и виментина в злокачественной рабдоидной опухоли: трехмерное изображение с конфокальной лазерной сканирующей микроскопией и двойной иммунофлуоресценцией» . Мод. Патол . 14 (9): 854–61. DOI : 10.1038 / modpathol.3880401 . PMID 11557780 . 
  23. ^ Omary MB, Ku NO, Strnad P, Ханада S (июль 2009). «К разгадке сложности простых эпителиальных кератинов при заболеваниях человека» . J. Clin. Инвестируйте . 119 (7): 1794–805. DOI : 10.1172 / JCI37762 . PMC 2701867 . PMID 19587454 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Состав и β-листовая структура шелка
  • Запись Hair-Science.com о микроскопических элементах волос
  • Страница протеопедии о кератинах