Кератин - строение и значение

Кератин (от греч. «κερατίνη», что означает «рог») – это семейство волокнистых структурных белков. Они служат важным структурным материалом, составляющим наружный слой кожного покрова человека. Это также ключевой структурный компонент ногтей и волос. Мономеры кератина собираются в пучки, чтобы сформировать промежуточные филаменты, жесткие и образуюие прочные неминерализованные ткани, имеющиеся у рептилий, птиц, земноводных и млекопитающих. Единственный другой биологический материал, который приближен по прочности к кератинированной ткани, это хитин.

Содержание

1. Примеры использования
2. Видео о кератине
3. Структурные детали
1. Дисульфидные мостики
2. Образование филамента
4. Ороговение
5. Шелк
6. Клиническое значение кератина
7. Использование в косметике

Примеры использования

Кератиновые нити в изобилии встречаются в кератиноцитах в ороговевшем слое эпидермиса, представляющем собой клетки, прошедшие ороговение. Кроме того, кератиновые волокна присутствуют в эпителиальных клетках в целом. Например, мышиные эпителиальные клетки тимуса (ТЭМ), как известно, реагируют с антителами для кератина 5, 8 и 14. Эти антитела используют в качестве флуоресцентных маркеров для различения подмножеств ТЭМ в генетических исследованиях тимуса.

• α-кератины в волосах (включая шерсть), рогах, ногтях, когтях и копытах млекопитающих
• более твердые β-кератины содержатся в ногтях, чешуйках и когтях рептилий, их панцирях (Testudines, такие как черепахи, террапин), и в перьях, клювах, когтях птиц и иглах дикобраза. Эти кератины образуются в основном в бета-листах. Тем не менее, бета-листы содержатся также в α-кератинах.

Пластинки китового уса, служащие китам для фильтрации пищи, состоят из кератина.

Кератины (также называемые цитокератинами) представляют собой полимеры промежуточных филаментов типа III и типа IV, которые обнаружены в геномах хордовых (позвоночные, ланцетники, оболочники). У нематод и многих других, не хордовых животных, по-видимому, имеется только промежуточные филаменты типа VI, ламины, у которых есть длинностержневой домен (против короткостержневого домена для кератинов).

Видео о кератине

Структурные детали

Первая последовательность кератинов была определена Ханукоглу и Фухсом. С помощью этих последовательностей удалось выявить, что существуют две различные, но гомологичные кератиновые семьи, которые были названы кератинами типа I и типа II. В результате анализа первичной структуры этих кератинов и других белков промежуточных филаментов, Ханукоглу и Фухс предложили модель, согласно которой кератины и белки промежуточных филаментов содержат центральный домен остатка ~ 310 с четырьмя сегментами в α-спиральной конформации, разделенными тремя короткими сегментами линкера, которые, предположительно, находились в конформации бета-изгиба. Эта модель была подтверждена путем определения кристаллической структуры спиральной области кератинов.

Волокнистые молекулы кератина представляют собой суперспираль с образованием очень стабильного, свитого против часовой стрелки сверхспирального мотива, образующего нити, состоящие из нескольких копий мономера кератина.

Основной движущей силой, которая сохраняет биспиральную структуру, служат гидрофобные взаимодействия между неполярными остатками вдоль спиральных сегментов кератинов.

Ограниченное внутреннее пространство – это причина того, почему тройная спираль (вне) коллагена структурного белка, содержащаяся в коже, хряще и кости, также отличается высоким процентом глицина. В эластине белка соединительной ткани также высоко содержание глицина и аланина. В считающемсяся β-кератином шелковом фиброине он могут занимать 75-80% от объема, серин – 10-15%, остальные же присутствуют виде громоздких боковых групп. Цепи антипараллельны, с переменной ориентацией C → N. Перевес аминокислот с небольшими инертными боковыми группами характерен для структурных белков, для которых Н-связанная плотная упаковка важнее, чем химические специфичности.

Дисульфидные мостики

В дополнение к внутри- и межмолекулярным водородным связям, кератины содержат в большом количестве серосодержащую аминокислоту цистеин, необходимый для дисульфидных мостиков, придающих дополнительную прочность и жесткость при постоянном, термически стабильном сшивании. Такую роль серные мостики также играют в вулканизированной резине. Волосы человека состоят примерно на 14% из цистеина. В результате из-за соединений серы появляется острый запах при горении волос и резины. Обширная дисульфидная связь способствует нерастворимости кератинов, за исключением диссоциации или восстановителей.

Более гибкие и эластичные кератины волос имеют меньше межцепочечных дисульфидных мостиков, чем кератины в ногтях, копытах и когтях (гомологичные структуры) млекопитающих, которые тверже и больше походят на их аналоги в других позвоночных классах. Волосы и другие α-кератины состоят из α-спиральной нити одного белка (с обычной внутрицепочной H-связью), которые затем дополнительно скручиваются в сверхспиральные веревки, которые могут дальше сворачиваться в спирали. β-кератины рептилий и птиц имеют β-складчатые пласты, скрученные вместе и далее стабилизированные и укрепленные дисульфидными мостиками.

Образование филамента

Было выдвинуто предположение, что кератины объединяются в «жесткие» и «мягкие» или «цитокератины» и «прочие кератины». Эта модель в настоящее время считается правильной. В новом атомное дополнение в 2006 г., описывающее кератины, это принимается во внимание.

Кератиновые филаменты являются промежуточными. 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, согласно современной гипотезе, в элементарные нити единичной длины, способные ренатурироваться в целостности в длинные нити.

Ороговение

Ороговение представляет собой процесс образования эпидермального барьера в многослойной плоской эпителиальной ткани. На клеточном уровне оно характеризуется следующим:

• производство кератина
• производство небольших богатых пролином (SPRR) белков и трансглутаминазы, которые в итоге формируют ороговевший клеточный конверт под плазматической мембраной
• терминальная дифференцировка
• потеря ядер и органелл в завершающей стадии ороговения.

После завершения метаболизма клетки заполняются кератином почти полностью. В процессе эпителиальной дифференциации клетки становятся ороговевшими, так как белок кератина объединяется в более длинные промежуточные филаменты кератина. В итоге ядра и цитоплазмические органеллы исчезают, прекращается обмен веществ, а клетки подвергаются запрограммированной смерти, так как они станут полностью ороговевшими. Во многих других типах клеток, например, клетках дермы, кератиновые волокна и другие промежуточные филаменты функционируют, как часть цитоскелета для механической стабилизации ячейки против физического стресса. Это происходит через подключение к десмосомам, межклеточным соединительным бляшкам, и полудесмосомам, адгезионным структурам клеток базальной мембраны.

Клетки в эпидермисе содержат структурную матрицу кератина, в результате внешний слой кожи становится почти водонепроницаемым, а вместе с коллагеном и эластином, это придает коже прочность. Из-за трения и давления внешний роговой слой эпидермиса утолщается, таким образом, образуются защитные мозоли, помогающие спортсменам и музыкантам, которые играют на струнных инструментах (у них мозоли появляются на кончиках пальцев). Ороговевшие клетки эпидермиса постоянно осыпаются и заменяются.

Эти жесткие покровные структуры формируются межклеточным цементированием волокон, образуемых из мертвых, ороговевших клеток, выработанных в специализированных местах глубоко в коже. Волосы растут непрерывно, оперение линяет и восстанавливается. Составляющие белки могут быть филогенетически гомологичными, но по химической структуре и надмолекулярной организации немного отличаются. Эволюционные отношения сложны и известны лишь частично. Были определены несколько генов для β-кератинов в перьях, и это, вероятно, характерно для всех кератинов.

Шелк

Шелковые фиброины, вырабатываемые насекомыми и пауками, часто классифицируются как кератины, хотя неясно, связаны ли они филогенетически с кератинами позвоночных.

Шелк, содержащийся в куколках насекомых, в паутине и оболочке яиц пауков, также имеет скрученные β-складчатые пласты, объединенные с волокнами, смотанными в крупные надмолекулярные агрегаты. Конструкция прядильных органов на хвостах пауков и работа их внутренних желез замечательно контролируют быструю экструзию. Шелк паука, как правило, примерно от 1 до 2 мкм толщиной (для сравнения, толщина человеческого волоса – около 60 мкм), и больше у некоторых млекопитающих. Полезные свойства шелковых волокон с биологической и коммерческой точки зрения зависят от организации несколько соседних белковых цепей в твердых, кристаллических областях различного размера, чередующихся с гибкими, аморфными регионами, где цепи случайно свиваются спиральный. Несколько аналогичная ситуация происходит с синтетическими полимерами, такими как нейлон, разработанные в качестве замены шелку. Шелк из коконов шершней содержит дублеты диаметром примерно 10 мкм, с ядрами и покрытием, и может быть сгруппирован в слои (до 10 слоев) и бляшки переменной формы. Взрослые шершни, как и пауки, также используют шелк как клей.

Клиническое значение кератина

Кератином питаются некоторые инфекционные грибки, такие как те, которые вызывают грибок стопы и стригущий лишай (т.е. дерматофиты), или Batrachochytrium dendrobatidis (хитридиевые грибки).

Среди заболеваний, вызванных мутациями в генах кератина:

• простой буллезный эпидермолиз
• буллезный ихтиоз Сименса
• эпидермолитический гиперкератоз
• множественная стеатоцистома
• лейкоплакия слизистой гортани
• образование стержнеобразных клеток в крупноклеточной карциноме легких стержнеобразного фенотипа

Кроме того, экспрессия кератина полезна в определении эпителиального происхождения при анапластическом раке. Кератин экспрессируют такие опухоли, как карциномы, тимомы, саркомы и трофобластические новообразования. Кроме того, модель точной экспрессии подтипов кератина позволяет предсказывать происхождения первичной опухоли в оценке метастазов. Например, гепатоцеллюлярная карцинома обычно экспрессирует K8 и K18, а холангиокарцинома экспрессирует K7, K8 и K18, в то время как метастазы колоректального рака экспрессируют K20, но не K7.

Использование в косметике

Гидролизованный кератин стал распространенным косметическим ингредиентом. Исследования показали, что местное применение гидролизованного кератина значительно увеличивает эластичность и гидратацию кожи. Из-за его увлажняющих свойств гидролизат кератина также добавляется в шампуни и кондиционеры для волос.

Кератиновые структуры большего размера, как те, которые образованы путем ороговения, не могут проникать в кожу, поэтому не могут быть использованы в качестве увлажнителей. Однако их можно применить другими способами, например, в продуктах, скрывающих выпадение волос, с использованием тонких волосяных волокон до аксессуаров, делающих прическу гуще, например, в виде накладок для наращивания волос.