stringtranslate.com

Кератин

Микроскопия кератиновых нитей внутри клеток

Кератин ( / ˈ k ɛr ə t ɪ n / [1] [2] ) является одним из семейства структурных волокнистых белков, также известных как склеропротеины . Альфа-кератин (α-кератин) - это тип кератина, обнаруженный у позвоночных . Это ключевой структурный материал, из которого состоят чешуя , волосы , ногти , перья , рога , когти , копыта и наружный слой кожи у позвоночных. Кератин также защищает эпителиальные клетки от повреждений или стресса. Кератин крайне нерастворим в воде и органических растворителях. Мономеры кератина собираются в пучки, образуя промежуточные нити , которые являются жесткими и образуют прочные неминерализованные эпидермальные придатки, обнаруженные у рептилий , птиц , амфибий и млекопитающих . [3] [4] Чрезмерная кератинизация участвует в укреплении определенных тканей , таких как рога крупного рогатого скота и носорогов , а также остеодерма броненосцев . [5] Единственное другое биологическое вещество, которое, как известно, приближается по прочности к кератинизированной ткани, — это хитин . [6] [7] [8] Кератин бывает двух типов: примитивные, более мягкие формы, встречающиеся у всех позвоночных, и твердые, производные формы, встречающиеся только среди завропсидов (рептилий и птиц).

Паучий шелк классифицируется как кератин [9], хотя производство этого белка могло развиться независимо от этого процесса у позвоночных.

Примеры возникновения

Рога импалы состоят из кератина, покрывающего костную сердцевину .

Альфа-кератины (α-кератины) встречаются у всех позвоночных. Они образуют волосы (включая шерсть ), наружный слой кожи , рога , ногти , когти и копыта млекопитающих и слизистые нити миксин . [4] Пластины уса фильтрующих китов также состоят из кератина. Кератиновые нити в изобилии присутствуют в кератиноцитах в роговом слое эпидермиса ; это белки, которые подверглись кератинизации . Они также присутствуют в эпителиальных клетках в целом. Например, мышиные эпителиальные клетки тимуса реагируют с антителами к кератину 5, кератину 8 и кератину 14. Эти антитела используются в качестве флуоресцентных маркеров для различения подмножеств мышиных эпителиальных клеток тимуса в генетических исследованиях тимуса .

Более твердые бета-кератины (β-кератины) встречаются только у завропсидов , то есть у всех ныне живущих рептилий и птиц . Они встречаются в ногтях, чешуе и когтях рептилий , в панцирях некоторых рептилий ( Testudines , таких как черепаха , черепаха , водяная черепаха ), а также в перьях , клювах и когтях птиц . [10] Эти кератины в основном образуются в бета-слоях . Однако бета-слои также встречаются в α-кератинах. [11] Недавние исследования показали, что β-кератины завропсидов принципиально отличаются от α-кератинов на генетическом и структурном уровне. Новый термин роговой бета-протеин (CBP) был предложен, чтобы избежать путаницы с α-кератинами. [12]

Кератины (также описываемые как цитокератины ) представляют собой полимеры промежуточных филаментов типа I и типа II , которые были обнаружены только у хордовых ( позвоночные , амфиокси , урохордовые ). Нематоды и многие другие нехордовые животные, по-видимому, имеют только промежуточные филаменты типа VI , волокна, которые структурируют ядро .

Гены

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 говорит о том, что они произошли от серии дупликаций генов на этих хромосомах. [13]

Кератины включают следующие белки, из которых 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 и KRT86 использовались для описания кератинов после 20 лет. [ 14]

Выравнивание последовательности белка 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

Первые последовательности кератинов были определены Израилем Ханукоглу и Элейн Фукс (1982, 1983). [16] [17] Эти последовательности показали, что существует два отдельных, но гомологичных семейства кератинов, которые были названы кератинами типа I и типа II. [17] Анализируя первичные структуры этих кератинов и других промежуточных филаментных белков, Ханукоглу и Фукс предложили модель, в которой кератины и промежуточные филаментные белки содержат центральный домен из ~310 остатков с четырьмя сегментами в α-спиральной конформации, которые разделены тремя короткими линкерными сегментами, предположительно находящимися в конформации бета-поворота. [17] Эта модель была подтверждена определением кристаллической структуры спирального домена кератинов. [18]

Кератины типа 1 и 2

Геном человека содержит 54 функциональных аннотированных гена кератина, 28 из которых относятся к семейству кератина типа 1 , а 26 — к семейству кератина типа 2. [19]

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

Молекулы волокнистого кератина скручиваются в суперспираль, образуя очень стабильный левозакрученный суперспиральный мотив, который мультимеризуется, образуя нити, состоящие из множества копий мономера кератина . [20]

Основная сила, которая удерживает спиральную структуру, – это гидрофобные взаимодействия между неполярными остатками вдоль спиральных сегментов кератина. [21]

Ограниченное внутреннее пространство является причиной того, что тройная спираль (неродственного) структурного белка коллагена , обнаруженного в коже , хрящах и костях , также имеет высокий процент глицина . Белок соединительной ткани эластин также имеет высокий процент как глицина, так и аланина . Фиброин шелка , считающийся β-кератином, может иметь эти два в количестве 75–80% от общего количества, с 10–15% серина , а остальные имеют объемные боковые группы. Цепи антипараллельны, с чередующейся ориентацией C → N. [22] Преобладание аминокислот с небольшими, нереактивными боковыми группами характерно для структурных белков, для которых плотная упаковка с водородными связями важнее химической специфичности .

Дисульфидные мостики

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 [23] — во многом таким же образом, как небелковые серные мостики стабилизируют вулканизированную резину . Человеческий волос состоит примерно на 14% из цистеина. Резкие запахи горящих волос и кожи обусловлены образующимися летучими соединениями серы. Обширные дисульфидные связи способствуют нерастворимости кератинов , за исключением небольшого числа растворителей, таких как диссоциирующие или восстанавливающие агенты.

Ноготь на пальце ноги человека, отвалившийся после небольшой травмы. На нем сделали три небольших прокола, пока он еще был прикреплен.

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 в других классах позвоночных. [24] Волосы и другие α-кератины состоят из α-спирально скрученных одиночных белковых нитей (с регулярными внутрицепочечными водородными связями ), которые затем дополнительно скручиваются в суперспиральные веревки , которые могут быть дополнительно скручены. β-кератины рептилий и птиц имеют β-складчатые листы, скрученные вместе, затем стабилизированные и затвердевшие с помощью дисульфидных мостиков.

Тиолированные полимеры (= тиомеры ) могут образовывать дисульфидные мостики с цистеиновыми субструктурами кератинов, ковалентно прикрепляясь к этим белкам. [25] Поэтому тиомеры проявляют высокие связывающие свойства с кератинами, обнаруженными в волосах, [26] на коже [27] [28] и на поверхности многих типов клеток. [29]

Формирование нитей

Было предложено, что кератины можно разделить на «жесткие» и «мягкие» формы, или « цитокератины » и «другие кератины». [ необходимо разъяснение ] [ сомнительно – обсудить ] Теперь эта модель считается правильной. Новое ядерное дополнение в 2006 году для описания кератинов учитывает это. [14]

Кератиновые нити являются промежуточными нитями . Как и все промежуточные нити, кератиновые белки образуют нитевидные полимеры в серии этапов сборки, начинающихся с димеризации; димеры собираются в тетрамеры и октамеры и в конечном итоге, если текущая гипотеза верна, в нити единичной длины (ULF), способные отжигаться конец в конец в длинные нити.

Сопряжение

Ороговение

Ороговение — это процесс формирования эпидермального барьера в многослойной плоской эпителиальной ткани. На клеточном уровне ороговение характеризуется:

Метаболизм прекращается, и клетки почти полностью заполняются кератином. В процессе эпителиальной дифференциации клетки становятся ороговевшими, поскольку белок кератина включается в более длинные промежуточные филаменты кератина. В конце концов ядро ​​и цитоплазматические органеллы исчезают, метаболизм прекращается, и клетки подвергаются запрограммированной смерти , поскольку они полностью кератинизируются. Во многих других типах клеток, таких как клетки дермы, филаменты кератина и другие промежуточные филаменты функционируют как часть цитоскелета, механически стабилизируя клетку от физического стресса. Это происходит посредством связей с десмосомами, межклеточными соединительными бляшками и гемидесмосомами, адгезивными структурами между клетками и базальной мембраной.

Клетки эпидермиса содержат структурную матрицу кератина, которая делает этот внешний слой кожи почти водонепроницаемым, а вместе с коллагеном и эластином придает коже прочность. Трение и давление вызывают утолщение внешнего ороговевшего слоя эпидермиса и образование защитных мозолей, которые полезны для спортсменов и на кончиках пальцев музыкантов, играющих на струнных инструментах. Кератинизированные эпидермальные клетки постоянно отшелушиваются и заменяются.

Эти твердые покровные структуры образуются путем межклеточного цементирования волокон, образованных из мертвых ороговевших клеток, которые генерируются специализированными слоями глубоко внутри кожи. Волосы растут непрерывно, а перья линяют и регенерируют. Составляющие их белки могут быть филогенетически гомологичными, но несколько различаются по химической структуре и надмолекулярной организации. Эволюционные связи сложны и известны лишь частично. Было идентифицировано несколько генов для β-кератинов в перьях, и это, вероятно, характерно для всех кератинов.

Шелк

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

Шелк, обнаруженный в куколках насекомых , паутине и яйцевых оболочках, также имеет скрученные β-складчатые листы, включенные в волокна, скрученные в более крупные надмолекулярные агрегаты. Структура прядильных органов на хвостах пауков и вклад их внутренних желез обеспечивают замечательный контроль над быстрой экструзией . Паучий шелк обычно имеет толщину около 1-2 микрометров (мкм) по сравнению с примерно 60 мкм для человеческих волос и больше для некоторых млекопитающих. Биологически и коммерчески полезные свойства шелковых волокон зависят от организации нескольких смежных белковых цепей в жесткие кристаллические области различного размера, чередующиеся с гибкими аморфными областями, где цепи беспорядочно скручены . [30] Несколько аналогичная ситуация возникает с синтетическими полимерами , такими как нейлон , разработанными в качестве заменителя шелка. Шелк из кокона шершня содержит дублеты около 10 мкм в поперечнике, с сердцевиной и покрытием, и может быть организован в до 10 слоев, также в бляшках различной формы. Взрослые шершни также используют шелк в качестве клея , как и пауки.

Клей

Клеи, изготовленные из частично гидролизованного кератина, включают копытный клей и роговой клей.

Клиническое значение

Аномальный рост кератина может возникать при различных состояниях, включая кератоз , гиперкератоз и кератодермию .

Мутации в экспрессии гена кератина могут привести, среди прочего:

Некоторые заболевания, такие как грибок стопы и стригущий лишай , вызываются инфекционными грибками , которые питаются кератином. [33]

Кератин очень устойчив к пищеварительным кислотам при попадании в организм. Кошки регулярно глотают шерсть в процессе ухода за собой , что приводит к постепенному образованию комков шерсти , которые могут быть выброшены орально или экскретированы. У людей трихофагия может привести к синдрому Рапунцель , крайне редкому, но потенциально смертельному кишечному заболеванию.

Диагностическое использование

Экспрессия кератина полезна для определения эпителиального происхождения анапластических раков. Опухоли, которые экспрессируют кератин, включают карциномы , тимомы , саркомы и трофобластические новообразования . Кроме того, точный паттерн экспрессии подтипов кератина позволяет предсказать происхождение первичной опухоли при оценке метастазов . Например, гепатоцеллюлярные карциномы обычно экспрессируют CK8 и CK18, а холангиокарциномы экспрессируют CK7, CK8 и CK18, в то время как метастазы колоректальных карцином экспрессируют CK20, но не CK7. [34]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ OED 2-е издание, 1989 г. как /ˈkɛrətɪn/
  2. ↑ Статья «кератин». Архивировано 09.05.2013 на Wayback Machine в словаре Merriam-Webster Online Dictionary. Архивировано 22.09.2017 на Wayback Machine .
  3. ^ Фрейзер, RDB (1972). Кератины: их состав, структура и биосинтез . Bannerstone House: Charles C Thomas. стр. 3–6. ISBN 978-0-398-02283-9.
  4. ^ ab Wang, Bin (2016). «Кератин: структура, механические свойства, встречаемость в биологических организмах и попытки биовдохновения». Progress in Materials Science . 76 : 229–318. doi : 10.1016/j.pmatsci.2015.06.001 . Архивировано из оригинала 2022-09-19 . Получено 2019-07-03 .
  5. ^ Насури, Алиреза (2020). «Формирование, структура и функция внескелетных костей у млекопитающих». Biological Reviews . 95 (4): 986–1019. doi :10.1111/brv.12597. PMID  32338826. S2CID  216556342.
  6. ^ "Кератин". Онлайн-словарь Вебстера . 22 мая 2023 г. Архивировано из оригинала 1 мая 2021 г. Получено 9 августа 2018 г.
  7. ^ Винсент, Джулиан Ф. В.; Вегст, Ульрике Г. К. (июль 2004 г.). «Конструкция и механические свойства кутикулы насекомых». Arthropod Structure & Development . 33 (3): 187–199. Bibcode : 2004ArtSD..33..187V. doi : 10.1016/j.asd.2004.05.006. PMID  18089034.
  8. ^ 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.
  9. ^ «Кератин». ВЕДАНТУ . Проверено 7 января 2022 г.[ постоянная мертвая ссылка ]
  10. ^ Хикман, Кливленд Пендлтон; Робертс, Ларри С.; Ларсон, Аллан Л. (2003). Интегрированные принципы зоологии . Dubuque, IA: McGraw-Hill. стр. 538. ISBN 978-0-07-243940-3.
  11. ^ Креплак, Л.; Дусе, Дж.; Дюма, П.; Брики, Ф. (июль 2004 г.). «Новые аспекты перехода α-спирали в β-лист в растянутых твердых волокнах α-кератина». Биофизический журнал . 87 (1): 640–647. Бибкод : 2004BpJ....87..640K. doi : 10.1529/biophysj.103.036749. ПМК 1304386 . ПМИД  15240497. 
  12. ^ Алибарди, Лоренцо (сентябрь 2016 г.). «Ороговение завропсидов основано на роговых бета-протеинах, особом типе кератин-ассоциированных роговых белков эпидермиса». Журнал экспериментальной зоологии, часть B: Молекулярная и эволюционная эволюция . 326 (6): 338–351. doi :10.1002/jez.b.22689. PMID  27506161.
  13. ^ Moll, Roland; Divo, Markus; Langbein, Lutz (июнь 2008 г.). «Человеческие кератины: биология и патология». Histochemistry and Cell Biology . 129 (6): 705–733. doi :10.1007/s00418-008-0435-6. PMC 2386534. PMID  18461349 . 
  14. ^ ab Schweizer J, Bowden PE, Coulombe PA, et al. (Июль 2006 г.). «Новая консенсусная номенклатура кератинов млекопитающих». J. Cell Biol . 174 (2): 169–74. doi :10.1083/jcb.200603161. PMC 2064177. PMID  16831889 . 
  15. ^ "GeneCards - Гены человека | База данных генов". Архивировано из оригинала 2023-05-13 . Получено 2023-05-08 .
  16. ^ Ханукоглу, Израиль; Фукс, Элейн (ноябрь 1982 г.). «Последовательность кДНК человеческого эпидермального кератина: расхождение последовательности, но сохранение структуры среди промежуточных филаментных белков». Cell . 31 (1): 243–252. doi :10.1016/0092-8674(82)90424-x. PMID  6186381. S2CID  35796315. Архивировано из оригинала 26.01.2021 . Получено 03.07.2019 .
  17. ^ abc Hanukoglu, Israel; Fuchs, Elaine (июль 1983 г.). «Последовательность кДНК цитоскелетного кератина II типа выявляет постоянные и вариабельные структурные домены среди кератинов». Cell . 33 (3): 915–924. doi :10.1016/0092-8674(83)90034-x. PMID  6191871. S2CID  21490380. Архивировано из оригинала 26.01.2021 . Получено 03.07.2019 .
  18. ^ Ли, Чан-Хун; Ким, Мин-Сун; Чунг, Бён Мин; Лихи, Дэниел Дж.; Куломб, Пьер А. (июль 2012 г.). «Структурная основа гетеромерной сборки и перинуклеарной организации кератиновых филаментов». Nature Structural & Molecular Biology . 19 (7): 707–715. doi :10.1038/nsmb.2330. PMC 3864793 . PMID  22705788. 
  19. ^ "Тип II Кератин - обзор | Темы ScienceDirect". www.sciencedirect.com . Архивировано из оригинала 2023-03-28 . Получено 2023-03-28 .
  20. ^ Voet, Donald; Voet, Judith G.; Pratt, Charlotte W. (1998). "Белки: трехмерная структура" (PDF) . Основы биохимии . Wiley. стр. 158. ISBN 978-0-471-58650-0. Архивировано (PDF) из оригинала 2006-09-17. Фибриллярные белки характеризуются одним типом вторичной структуры: кератин представляет собой левозакрученную спираль из двух а-спиралей
  21. ^ Ханукоглу, Израиль; Эзра, Лиора (январь 2014 г.). «Запись в Proteopedia: спирально-спиральная структура кератинов: мультимедиа в образовании в области биохимии и молекулярной биологии». Образование в области биохимии и молекулярной биологии . 42 (1): 93–94. doi : 10.1002/bmb.20746 . PMID  24265184. S2CID  30720797.
  22. ^ "Вторичный белок". Elmhurst.edu. Архивировано из оригинала 2010-09-22 . Получено 2010-09-23 .
  23. ^ "Что такое кератин?". WiseGEEK. Архивировано из оригинала 13 мая 2014 года . Получено 11 мая 2014 года .
  24. ^ H Bragulla, Hermann; G Homberger, Dominique (2009). «Структура и функции кератиновых белков в простых, стратифицированных, ороговевших и ороговевших эпителиях». Журнал анатомии . 214 (4): 516–559. doi :10.1111/j.1469-7580.2009.01066.x. PMC 2736122. PMID  19422428 . 
  25. ^ Leichner, C; Jelkmann, M; Bernkop-Schnürch, A (2019). «Тиолированные полимеры: биоинспирированные полимеры, использующие одну из важнейших мостиковых структур в природе». Adv Drug Deliv Rev. 151–152: 191–221. doi :10.1016/j.addr.2019.04.007. PMID  31028759. S2CID  135464452.
  26. ^ Хокинс, Г.; Африат, ИР; Ксавье, ДЖ.Х.; Попеску, Л.С. (2011). «Косметические композиции, содержащие тиомеры для сохранения цвета волос». Us20110229430A1 .
  27. ^ Grießinger, JA; Bonengel, S; Partenhauser, A; Ijaz, M; Bernkop-Schnürch, A (2017). «Тиолированные полимеры: оценка их потенциала в качестве дермоадгезивных вспомогательных веществ». Drug Dev. Ind. Pharm . 43 (2): 204–212. doi : 10.1080/03639045.2016.1231809. PMID  27585266. S2CID  19045608.
  28. ^ Партенхаузер, А.; Зупанчич, О.; Рорер, Дж.; Боненгель, С.; Бернкоп-Шнурх, А. (2015). «Тиолированные силиконовые масла как адгезивные защитные средства для кожи для улучшения барьерной функции». Int. J. Cosm. Sci . 38 (3): 257–265. doi :10.1111/ics.12284. PMID  26444859. S2CID  38357104.
  29. ^ Le-Vinh, B; Steinbring, C; Nguyen Le, NM; Matuszczak, B; Bernkop-Schnürch, A (2023). «S-защищенный тиолированный хитозан в сравнении с тиолированным хитозаном в качестве клеточных адгезивных биоматериалов для тканевой инженерии». ACS Appl Mater Interfaces . 15 (34): 40304–40316. doi :10.1021/acsami.3c09337. PMC 10472333. PMID  37594415 . 
  30. ^ Австралия. "Пауки – Шелковая структура". Amonline.net.au. Архивировано из оригинала 2009-05-08 . Получено 2010-09-23 .
  31. ^ Ширацучи, Хидеки; Сайто, Цуёси; Сакамото, Акио; Итакура, Эйдзюн; Тамия, Садафуми; Оширо, Юми; Ода, Ёсинао; То, Сатоши; Комияма, Сохтаро; Цунеёси, Масадзуми (февраль 2002 г.). «Анализ мутаций гена человеческого цитокератина 8 в злокачественной рабдоидной опухоли: возможная связь с образованием внутрицитоплазматических включений». Современная патология . 15 (2): 146–153. doi : 10.1038/modpathol.3880506 . PMID  11850543.
  32. ^ Itakura, Eijun; Tamiya, Sadafumi; Morita, Keisuke; Shiratsuchi, Hideki; Kinoshita, Yoshiaki; Oshiro, Yumi; Oda, Yoshinao; Ohta, Shigeru; Furue, Masutaka; Tsuneyoshi, Masazumi (сентябрь 2001 г.). «Субклеточное распределение цитокератина и виментина в злокачественной рабдоидной опухоли: трехмерная визуализация с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии и двойной иммунофлуоресценции». Modern Pathology . 14 (9): 854–861. doi : 10.1038/modpathol.3880401 . PMID  11557780.
  33. ^ Мерсер, Дерри К; Стюарт, Колин С (1 января 2019 г.). «Гидролиз кератина дерматофитами». Медицинская микология . 57 (1): 13–22. doi :10.1093/mmy/myx160. PMID  29361043.
  34. ^ Омари, М. Бишр; Ку, Нам-Он; Стрнад, Павел; Ханада, Шиничиро (1 июля 2009 г.). «К разгадке сложности простых эпителиальных кератинов при заболеваниях человека». Журнал клинических исследований . 119 (7): 1794–1805. doi :10.1172/JCI37762. PMC 2701867. PMID 19587454  . 

Внешние ссылки

В Wikisource имеется текст статьи Кератин из Encyclopedia Americana 1920 года .