Keratin - Keratin

Nesmí být zaměňována s karoten.
Mikroskopie keratinových vláken uvnitř buněk.

Keratin (/ˈk.rətɪn/[1][2]) je jednou z rodiny vláknitých strukturních proteinů známých jako skleroproteiny. α-keratin je typ keratinu nacházející se u obratlovců. Jedná se o klíčový konstrukční materiál váhy, vlasy, hřebíky, peří, rohy, drápy, kopyta, mozoly a vnější vrstva z kůže mezi obratlovci. Keratin také chrání epiteliální buňky před poškozením nebo stresem. Keratin je extrémně nerozpustný ve vodě a organických rozpouštědlech. Keratin monomery sestavte do svazků a vytvořte je mezilehlá vlákna, které jsou houževnaté a silné nemineralizovaný epidermální přídavky nalezené v plazi, ptactvo, obojživelníci, a savci.[3][4] Jediný další biologický hmota, o níž je známo, že aproximuje houževnatost keratinizované tkáně je chitin.[5][6][7]Keratin se vyskytuje ve dvou typech, primitivní, měkčí formy nalezené u všech obratlovců a tvrdší, odvozené formy nalezené pouze mezi sauropsidy (plazi a ptáci). Keratin odolává trávení, a proto kočky opakují vlasové kuličky.

Pavoučí hedvábí je klasifikováno jako keratin, ačkoli produkce proteinu se mohla vyvinout nezávisle na procesu u obratlovců.

Příklady výskytu

Rohy impaly jsou vyrobeny z keratinu pokrývajícího kostní jádro

Rohy jako jsou impala jsou vyrobeny z keratinu pokrývajícího jádro kosti.

Keratinová vlákna jsou hojná keratinocyty v zrohovatělé vrstva pokožka; jedná se o proteiny, které prošly keratinizací. Jsou také obecně přítomny v epiteliálních buňkách. Například myší epiteliální buňky brzlíku reagují s protilátkami na keratin 5, keratin 8 a keratin 14. Tyto protilátky se používají jako fluorescenční markery k rozlišení podskupin myších epiteliálních buněk brzlíku v genetických studiích brzlíku.

The Baleen desky krmení filtrem velryby jsou vyrobeny z keratinu.

Keratiny (označované také jako cytokeratiny ) jsou polymery typu I a typu II mezilehlá vlákna které byly nalezeny pouze u strunatců (obratlovců, Amphioxus, urochordátů). Zdá se, že hlístice a mnoho dalších nehordánových zvířat mají pouze typ VI mezilehlá vlákna, vlákna, která strukturují jádro.

Geny

Neutralní základní keratiny jsou kódovány na chromozomu 12 (12q13.13).
Kyselé keratiny jsou kódovány na chromozomu 17 (17q21.2).

Lidský genom kóduje 54 funkčního keratinu geny, umístěné ve dvou klastrech na chromozomech 12 a 17. To naznačuje, že pocházejí ze série genových duplikací na těchto chromozomech.[10]

Mezi keratiny patří následující proteiny 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 a KRT86 byly použity k popisu keratinů po 20. roce.[11]

Zarovnání sekvence proteinu lidského keratinu 1, 2A, 3,4, 5, 6A, 7 a 8 (KRT1 - KRT8). Výše je zobrazena pouze první doména prutu. Zarovnání bylo vytvořeno pomocí Clustal Omega.

Struktura bílkovin

První sekvence keratinů byly určeny pomocí Izrael Hanukoglu a Elaine Fuchs.[12][13] Tyto sekvence odhalily, že existují dvě odlišné, ale homologní rodiny keratinů, které byly pojmenovány keratiny typu I a typu II.[13] Analýzou primárních struktur těchto keratinů a dalších intermediárních vláknitých proteinů navrhli Hanukoglu a Fuchs model, ve kterém keratiny a intermediární vláknité proteiny obsahují centrální ~ 310 zbytkovou doménu se čtyřmi segmenty v a-helikální konformaci, které jsou odděleny třemi krátkými linkery segmenty, u nichž se předpokládá, že budou v beta-turn konformaci.[13] Tento model byl potvrzen stanovením krystalové struktury spirálovité domény keratinů.[14]

Keratin (s vysokou molekulovou hmotností) v buňkách žlučovodů a oválných buňkách koňských jater.

Vláknité keratinové molekuly jsou supravodivá cívka, která vytváří velmi stabilní levou ruku superhelical motiv k multimerizaci, tvořící vlákna skládající se z několika kopií keratinu monomer.[15]

Hlavní silou, která udržuje strukturu stočené cívky, jsou hydrofobní interakce mezi nepolárními zbytky podél spirálových segmentů keratinů.[16]

Důvodem je omezený vnitřní prostor trojitá šroubovice (nesouvisejícího) strukturního proteinu kolagen, nalezený v kůži, chrupavka a kost, má také vysoké procento glycinu. Protein pojivové tkáně elastin má také vysoké procento glycinu a alaninu. Hedvábí fibroin, považovaný za β-keratin, může mít tyto dva jako 75–80% z celkového počtu, s 10–15% serinu, přičemž zbytek má objemné boční skupiny. Řetězy jsou antiparalelní, se střídavou orientací C → N.[17] Převaha aminokyselin s malými, nereaktivní postranní skupiny jsou charakteristické pro strukturní proteiny, pro které je H-vázané těsné balení důležitější než chemická specificita.

Disulfidové můstky

Kromě intra- a intermolekulárních vodíkových vazeb je charakteristickým rysem keratinů přítomnost velkého množství síra -obsahující aminokyselinu cystein, požadováno pro disulfidové můstky které poskytují trvalou, tepelně stabilní další pevnost a tuhost síťování[18]—V podstatě stejným způsobem, jakým se stabilizují nebílkovinové sirné můstky vulkanizovaný guma. Lidské vlasy tvoří přibližně 14% cysteinu. Prudký zápach spálených vlasů a pokožky je způsoben těkavými sloučeninami síry. Rozsáhlá disulfidová vazba přispívá k nerozpustnost keratinů, s výjimkou malého počtu rozpouštědel, jako je disociační nebo snižování agenti.

Pružnější a pružnější keratiny vlasů mají méně disulfidových můstků mezi řetězci než keratiny u savců nehty, kopyta a drápy (homologní struktury), které jsou tvrdší a podobají se jejich analogům v jiných třídách obratlovců. Vlasy a další α-keratiny sestávají z α-spirálovitě stočené jednotlivé proteinové řetězce (s pravidelným uvnitř řetězce H-vazba ), která se pak dále stočí do superhelických lan, která mohou být dále stočena. Β-keratiny plazů a ptáků mají β-skládané listy zkroucené dohromady, poté stabilizované a vytvrzené disulfidovými můstky.

Tvorba vláken

Bylo navrženo, že keratiny lze rozdělit na „tvrdou“ a „měkkou“ formu, nebo „cytokeratiny „a„ jiné keratiny “.[je zapotřebí objasnění ] Tento model je nyní chápán jako správný. Toto zohledňuje nový jaderný přírůstek v roce 2006, který popisuje keratiny.[11]

Keratinová vlákna jsou mezilehlá vlákna. Stejně jako všechna přechodná vlákna tvoří i keratinové proteiny vláknité polymery v řadě montážních kroků počínaje dimerizací; dimery se shromažďují do tetramerů a oktamerů a nakonec, pokud platí současná hypotéza, do jednotkových vláken (ULF) schopných žíhání end-to-end do dlouhých vláken.

Párování

A (neutrální-základní)B (kyselé)Výskyt
keratin 1, keratin 2keratin 9, keratin 10stratum corneum, keratinocyty
keratin 3keratin 12rohovka
keratin 4keratin 13stratifikovaný epitel
keratin 5keratin 14, keratin 15stratifikovaný epitel
keratin 6keratin 16, keratin 17dlaždicový epitel
keratin 7keratin 19duktální epitel
keratin 8keratin 18, keratin 20jednoduchý epitel

Cornifikace

Cornifikace je proces formování epidermální bariéry, která je podnětem pro dlaždicovou epiteliální tkáň. Na buněčné úrovni je cornifikace charakterizována:

Metabolismus přestává a buňky jsou téměř úplně naplněny keratinem. Během procesu diferenciace epitelu se buňky zrohovatěly, protože keratinový protein je zabudován do delších keratinových intermediálních vláken. Nakonec zmizí jádro a cytoplazmatické organely, přestane metabolismus a buňky podstoupí a programovaná smrt protože se stanou plně keratinizovanými. V mnoha jiných typech buněk, jako jsou buňky dermis, fungují keratinová vlákna a další intermediární vlákna jako součást cytoskeletu, aby mechanicky stabilizovala buňku proti fyzickému stresu. Dělá to spojením s desmosomy, spojovacími plaky buňka-buňka a hemidesmosomy, adhezivními strukturami membrány buněčné baze.

Buňky v epidermis obsahují strukturní matrici keratinu, díky níž je tato nejvzdálenější vrstva pokožky téměř vodotěsná a spolu s kolagenem a elastinem dodává pokožce její pevnost. Tření a tlak způsobují zesílení vnější zrohovatělé vrstvy epidermis a vytvářejí ochranné mozoly, které jsou užitečné pro sportovce a na dosah ruky hudebníků, kteří hrají na strunné nástroje. Keratinizované epidermální buňky jsou neustále vylučovány a nahrazovány.

Tyto tvrdé, kožní struktury jsou tvořeny mezibuněčným stmelením vláken vytvořených z mrtvých, zrohovatěných buněk generovaných specializovanými lůžky hluboko v kůži. Vlasy rostou nepřetržitě a peří se roztaví a regeneruje. Základní proteiny mohou být fylogeneticky homologní, ale poněkud se liší v chemické struktuře a supermolekulární organizaci. Evoluční vztahy jsou složité a pouze částečně známé. Pro β-keratiny v peří bylo identifikováno několik genů, což je pravděpodobně charakteristické pro všechny keratiny.

Hedvábí

The hedvábí fibroiny produkovaný hmyz a pavouci jsou často klasifikovány jako keratiny, i když není jasné, zda jsou fylogeneticky příbuzné keratinům obratlovců.

Hedvábí nalezené v hmyzu kukly a v pavučiny a vaječná střeva, má také zkroucené β-skládané listy zabudované do vláken navinutých do větších supermolekulárních agregátů. Struktura zvlákňovací trysky na ocasu pavouků a příspěvcích jejich vnitřku žlázy, poskytují pozoruhodnou kontrolu nad rychlým vytlačování. Pavoučí hedvábí má obvykle tloušťku přibližně 1 až 2 mikrometry (µm), ve srovnání s přibližně 60 µm pro lidské vlasy a více pro některé savce. The biologicky a komerčně užitečné vlastnosti hedvábná vlákna závisí na organizaci více sousedních proteinových řetězců do tvrdých, krystalický regiony různé velikosti, střídající se s flexibilními, amorfní regiony, kde jsou řetězce náhodně stočený.[19] Podobná situace nastává u syntetický polymery jako nylon, vyvinutý jako náhražka hedvábí. Hedvábí z sršeň kokon obsahuje dublety o průměru přibližně 10 µm, s jádry a potahem, a může být uspořádáno až v 10 vrstvách, také v placích variabilního tvaru. Sršeň dospělý také používá hedvábí jako a lepidlo, stejně jako pavouci.

Klinický význam

Nějaký infekční houby, jako jsou ty, které způsobují atletovo chodidlo a kožní onemocnění (tj dermatofyty ), nebo Batrachochytrium dendrobatidis (Houba Chytrid), živí se keratinem.[Citace je zapotřebí ]

Mezi nemoci způsobené mutacemi v keratinových genech patří:

Exprese keratinu je užitečná při určování epiteliálního původu v anaplastický rakoviny. Mezi nádory, které exprimují keratin, patří karcinomy, thymomy, sarkomy a trofoblastické novotvary. Přesný vzor exprese keratinových podtypů navíc umožňuje při hodnocení predikci původu primárního nádoru metastázy. Například, hepatocelulární karcinomy typicky vyjadřují K8 a K18 a cholangiokarcinomy exprimují K7, K8 a K18, zatímco metastázy kolorektální karcinomy vyjádřit K20, ale ne K7.[22]

Keratin je při požití vysoce odolný vůči zažívacím kyselinám, k čemuž dochází u lidských poruch trichophagia. Kočky tedy (které se samy upravují svými jazyky) tedy pravidelně přijímají srst, což vede k postupnému tvorbě a hairball které mohou být zvraceny. Rapunzelův syndrom, extrémně vzácný, ale potenciálně smrtelný střevní stav u lidí, je způsoben trichophagií.

Viz také

Reference

  1. ^ OED 2. vydání, 1989 jako / Kɛrətɪn /
  2. ^ Položka „keratin“ v Online slovník Merriam-Webster.
  3. ^ Fraser, R.D.B. (1972). Keratiny: jejich složení, struktura a biosyntéza. Bannerstone House: Charles C Thomas. s. 3–6. ISBN  978-0-398-02283-9.
  4. ^ A b Wang, Bin (2016). „Keratin: Struktura, mechanické vlastnosti, výskyt v biologických organismech a snahy o bioinspiraci“. Pokrok v materiálových vědách. 76: 229–318. doi:10.1016 / j.pmatsci.2015.06.001.
  5. ^ "Keratin". Websterův online slovník.
  6. ^ Vincent, Julian F.V .; Wegst, Ulrike G.K (červenec 2004). "Návrh a mechanické vlastnosti kutikuly hmyzu". Struktura a vývoj členovců. 33 (3): 187–199. doi:10.1016 / j.asd.2004.05.006. PMID  18089034.
  7. ^ Tombolato, Luca; Novitskaya, Ekaterina E .; Chen, Po-Yu; Sheppard, Fred A .; McKittrick, Joanna (únor 2010). "Mikrostruktura, elastické vlastnosti a deformační mechanismy rohovinového keratinu". Acta Biomaterialia. 6 (2): 319–330. doi:10.1016 / j.actbio.2009.06.033. PMID  19577667.
  8. ^ Hickman, Cleveland Pendleton; Roberts, Larry S .; Larson, Allan L. (2003). Integrované principy zoologie. Dubuque, IA: McGraw-Hill. p.538. ISBN  978-0-07-243940-3.
  9. ^ Kreplak, L .; Doucet, J .; Dumas, P .; Briki, F. (červenec 2004). „Nové aspekty přechodu α-Helix k přechodu na β-list v natažených tvrdých α-keratinových vláknech“. Biofyzikální deník. 87 (1): 640–647. doi:10.1529 / biophysj.103.036749. PMC  1304386. PMID  15240497.
  10. ^ Moll, Roland; Divo, Markus; Langbein, Lutz (07.05.2008). "Lidské keratiny: biologie a patologie". Histochemie a buněčná biologie. 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 a kol. (Červenec 2006). „Nová konsenzuální nomenklatura pro savčí keratiny“. J. Cell Biol. 174 (2): 169–74. doi:10.1083 / jcb.200603161. PMC  2064177. PMID  16831889.
  12. ^ Hanukoglu, I .; Fuchs, E. (listopad 1982). „Sekvence cDNA lidského epidermálního keratinu: divergence sekvence, ale zachování struktury mezi bílkovinami mezi vlákny“. Buňka. 31 (1): 243–52. doi:10.1016 / 0092-8674 (82) 90424-X. PMID  6186381. S2CID  35796315.
  13. ^ A b C Hanukoglu, I .; Fuchs, E. (červenec 1983). „Sekvence cDNA cytoskeletálního keratinu typu II odhaluje konstantní a variabilní strukturní domény mezi keratiny“. Buňka. 33 (3): 915–24. doi:10.1016 / 0092-8674 (83) 90034-X. PMID  6191871. S2CID  21490380.
  14. ^ Lee, CH .; Kim, MS .; Chung, BM .; Leahy, DJ .; Coulombe, PA. (Červenec 2012). „Strukturální základ pro heteromerní seskupení a perinukleární organizaci keratinových vláken“. Nat Struct Mol Biol. 19 (7): 707–15. doi:10.1038 / nsmb.2330. PMC  3864793. PMID  22705788.
  15. ^ Voet, Donald; Voet, Judith; Pratt, Charlotte. „Proteiny: trojrozměrná struktura“ (PDF). Základy biochemie. p. 158. Citováno 2010-10-01. Vláknité proteiny se vyznačují jediným typem sekundární struktury: keratin je levá cívka dvou šroubovic
  16. ^ Hanukoglu I, Ezra L (leden 2014). "Proteopedia: Coiled-coil struktura keratinů". Biochem Mol Biol Educ. 42 (1): 93–94. doi:10,1002 / bmb.20746. PMID  24265184. S2CID  30720797.
  17. ^ „Sekundární protein“. Elmhurst.edu. Archivovány od originál dne 22. 9. 2010. Citováno 2010-09-23.
  18. ^ „Co je to keratin?“. WiseGEEK. Citováno 11. května 2014.
  19. ^ Austrálie. "Pavouci - hedvábná struktura". Amonline.net.au. Archivovány od originál dne 8. května 2009. Citováno 2010-09-23.
  20. ^ Shiratsuchi H, Saito T, Sakamoto A a kol. (Únor 2002). „Mutační analýza lidského genu pro cytokeratin 8 v maligním rhabdoidním tumoru: možná asociace s tvorbou intracytoplazmatického inkluzního těla“. Mod. Pathol. 15 (2): 146–53. doi:10.1038 / modpathol.3880506. PMID  11850543.
  21. ^ Itakura E, Tamiya S, Morita K a kol. (Září 2001). „Subcelulární distribuce cytokeratinu a vimentinu v maligním rhabdoidním tumoru: trojrozměrné zobrazování pomocí konfokální laserové skenovací mikroskopie a dvojité imunofluorescence“. Mod. Pathol. 14 (9): 854–61. doi:10.1038 / modpathol.3880401. PMID  11557780.
  22. ^ Omary MB, Ku NO, Strnad P, Hanada S (červenec 2009). „Směrem k odhalení složitosti jednoduchých epiteliálních keratinů u lidských chorob“. J. Clin. Investovat. 119 (7): 1794–805. doi:10,1172 / JCI37762. PMC  2701867. PMID  19587454.

externí odkazy