stringtranslate.com

Кератин

Микроскопия кератиновых нитей внутри клеток

Кератин ( / ˈ k ɛr ə t ɪ n / [1] [2] ) — один из семейства структурных волокнистых белков, также известных как склеропротеины . Альфа-кератин (α-кератин) — это тип кератина, обнаруженный у позвоночных . Это основной структурный материал, из которого состоят чешуя , волосы , ногти , перья , рога , когти , копыта и внешний 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 прочными и образуют прочные неминерализованные эпидермальные придатки, встречающиеся у рептилий , птиц , амфибий и млекопитающих . [3] [4] Чрезмерная кератинизация участвует в укреплении определенных тканей, например, в рогах крупного рогатого скота и носорогов , а также остеодерме броненосцев . [5] Единственным другим биологическим веществом, которое, как известно, имеет прочность, близкую к ороговевшей ткани, является хитин . [6] [7] [8] Кератин бывает двух типов: примитивные, более мягкие формы, встречающиеся у всех позвоночных, и более твердые, производные формы, встречающиеся только у зауропсидов (рептилий и птиц).

Шелк паука классифицируется как кератин [9] , хотя производство белка могло развиваться независимо от этого процесса у позвоночных.

Примеры возникновения

Рога импалы состоят из кератина , покрывающего сердцевину кости .

Альфа-кератины (α-кератины) встречаются у всех позвоночных. Они образуют волосы (в том числе шерсть ), наружный слой кожи , рога , ногти , когти и копыта млекопитающих, а также нити слизи миксины . [4] Усовые пластинки китов -фильтраторов также состоят из кератина. Кератиновые нити в изобилии присутствуют в кератиноцитах рогового слоя эпидермиса ; это белки, подвергшиеся кератинизации . 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 подпопуляций эпителиальных клеток тимуса мыши в генетических исследованиях тимуса .

Более твердые бета-кератины (β-кератины) встречаются только у зауропсидов , то есть у всех ныне живущих рептилий и птиц . Они обнаружены в ногтях, чешуе и когтях рептилий , в панцирях некоторых рептилий ( тестудины , например черепахи , черепахи , черепахи ), а также в перьях , клюве и когтях птиц . [10] Эти кератины образуются в основном в бета-листах . Однако бета-листы встречаются и в α-кератинах. [11] Недавние исследования показали, что β-кератины зауропсидов фундаментально отличаются от α-кератинов на генетическом и структурном уровне. Новый термин роговой бета-протеин (CBP) был предложен во избежание путаницы с α-кератинами. [12]

Кератины (также называемые цитокератинами ) представляют собой полимеры промежуточных филаментов типа I и типа II , которые обнаружены только у хордовых ( позвоночных , амфиоксусов , урохордовых ). Нематоды и многие другие нехордовые животные, по-видимому, имеют только промежуточные нити 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 позволяет предположить, что они возникли в результате серии дупликаций генов на этих хромосомах. [13]

К кератинам относятся следующие белки: KRT23 , KRT24 , KRT25 , KRT26 , KRT27 , KRT28 , KRT31 , KRT32 , KRT33A , KRT33B , KRT34 , KRT35 , KRT36 , KRT37 , KRT38 , KRT39 , KRT40 , KRT71 , KRT7 . 2 , КРТ73 , КРТ74 , KRT75 , KRT76 , KRT77 , KRT78 , KRT79 , KRT8 , KRT80 , KRT81 , KRT82 , KRT83 , KRT84 , KRT85 и KRT86 использовались для описания кератинов старше 20 лет . [14]

Выравнивание белковых последовательностей человеческого кератина 1, 2А, 3,4, 5, 6А, 7 и 8 (KRT1 – KRT8). Выше показан только первый стержневой домен. Выравнивание создано с помощью Clustal Omega.

Структура белка

Первые последовательности кератинов были определены Исраэлем Ханукоглу и Элейн Фукс (1982, 1983). [16] [17] Эти последовательности показали, что существуют два различных, но гомологичных семейства кератинов, которые были названы кератинами типа I и типа II. [17] Анализируя первичные структуры этих кератинов и других белков промежуточных нитей, Ханукоглу и Фукс предложили модель, в которой кератины и белки промежуточных нитей содержат центральный домен ~310 остатков с четырьмя сегментами в α-спиральной конформации, которые разделены три коротких сегмента линкера, по прогнозам, будут находиться в конформации бета-поворота. [17] Эта модель была подтверждена определением кристаллической структуры спирального домена кератинов. [18]

Кератины 1 и 2 типа

Геном человека имеет 54 функциональных аннотированных гена кератина, 28 относятся к семейству кератина 1-го типа и 26 относятся к семейству кератина 2-го типа . [19]

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

Волокнистые молекулы кератина суперскручиваются, образуя очень стабильный левосторонний суперспиральный мотив, который мультимеризуется, образуя нити, состоящие из множества копий мономера кератина . [20]

Основной силой, поддерживающей спиральную структуру, являются гидрофобные взаимодействия между аполярными 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 содержит высокий процент глицина и аланина . Фиброин шелка , считающийся β-кератином, может содержать 75–80% этих двух веществ от общего количества, 10–15% серина , а остальная часть имеет объемные боковые группы. Цепи антипараллельны, с чередующейся ориентацией C → N. [22] Преобладание аминокислот с небольшими, нереакционноспособными боковыми группами характерно для структурных белков, для которых плотная упаковка по Н-связям важнее химической специфичности .

Дисульфидные мостики

Помимо внутри- и межмолекулярных водородных связей , отличительной особенностью кератинов является наличие большого количества серосодержащей аминокислоты цистеина , необходимой для образования дисульфидных мостиков , которые придают дополнительную прочность и жесткость за счет постоянного, термически стабильного сшивания [23]. — почти так же, как небелковые серные мостики стабилизируют вулканизированную резину . Человеческие волосы содержат примерно 14% цистеина. Резкий запах паленых волос и кожи обусловлен образовавшимися летучими соединениями серы. Обширные дисульфидные связи способствуют нерастворимости кератинов , за исключением небольшого количества растворителей, таких как диссоциирующие или восстановительные агенты.

Более гибкие и эластичные кератины волос имеют меньшее количество межцепочечных дисульфидных мостиков, чем кератины ногтей , копыт и когтей млекопитающих (гомологичные структуры), которые более тверды и больше похожи на свои аналоги у других классов позвоночных. [24] Волосы и другие α-кератины состоят из α-спирально закрученных одиночных белковых нитей (с регулярными внутрицепочечными Н-связями ), которые затем скручиваются в сверхспиральные веревки , которые можно далее скручивать. β-кератины рептилий и птиц представляют собой 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 присоединяющимися к этим белкам. [25] Таким образом, тиомеры проявляют высокие свойства связывания с кератинами, обнаруженными в волосах, [26] на коже [27] [28] и на поверхности многих типов клеток. [29]

Формирование нитей

Было предложено разделить кератины на «твердые» и «мягкие» формы, или « цитокератины » и «другие кератины». [ нужны разъяснения ] [ сомнительно – обсудить ] Теперь эта модель считается правильной. Это учитывается в новом ядерном дополнении 2006 года для описания кератинов. [14]

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

Сопряжение

Ороговение

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

Обмен веществ прекращается, и клетки практически полностью заполняются кератином. В процессе дифференцировки эпителия клетки ороговевают, поскольку белок кератина включается в более длинные промежуточные нити кератина. В конце концов ядро ​​и цитоплазматические органеллы исчезают, метаболизм прекращается, и клетки подвергаются запрограммированной смерти , поскольку они полностью ороговевают. Во многих других типах клеток, таких как клетки дермы, кератиновые нити и другие промежуточные нити функционируют как часть цитоскелета, механически стабилизируя клетку против физического стресса. Он делает это посредством соединений с десмосомами, межклеточными соединительными бляшками и гемидесмосомами, адгезивными структурами клеточной базальной мембраны.

Клетки эпидермиса содержат структурную матрицу из кератина, который делает этот внешний слой кожи почти водонепроницаемым и вместе с коллагеном и эластином придает коже прочность. Трение и давление вызывают утолщение наружного, ороговевшего слоя эпидермиса и образование защитных мозолей, полезных для спортсменов и на кончиках пальцев музыкантов, играющих на струнных инструментах. Ороговевшие клетки эпидермиса постоянно отслаиваются и заменяются.

Эти твердые покровные структуры образуются путем межклеточного склеивания волокон, образованных из мертвых ороговевших клеток, образующихся в специализированных слоях глубоко внутри кожи. Волосы растут непрерывно, а перья линяют и восстанавливаются. Составляющие белки могут быть филогенетически гомологичны, но несколько различаться по химической структуре и надмолекулярной организации. Эволюционные взаимоотношения сложны и известны лишь частично. В перьях идентифицировано множество генов β-кератинов, 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 , а также в паутине и яичной оболочке, также имеет скрученные β-складчатые листы, включенные в волокна, свернутые в более крупные надмолекулярные агрегаты. Структура фильер на хвостах пауков и вклад их внутренних желез обеспечивают замечательный контроль быстрой экструзии . Паучий шелк обычно имеет толщину от 1 до 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 множества соседних белковых цепей в твердые кристаллические области различного размера, чередующиеся с гибкими аморфными областями, где цепи свернуты хаотично . [30] Несколько аналогичная ситуация происходит с синтетическими полимерами, такими как нейлон , разработанными в качестве заменителя шелка. Шелк из кокона шершня содержит дублеты диаметром около 10 мкм с сердцевиной и оболочкой и может располагаться до 10 слоев, в том числе в виде бляшек различной формы. Взрослые шершни, как и пауки, также используют шелк в качестве клея .

Клей

К клеям, изготовленным из частично гидролизованного кератина, относятся клей для копыт и клей для рогов.

Клиническое значение

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

Мутации в экспрессии генов кератина могут привести, среди прочего:

Некоторые заболевания, такие как микоз и стригущий лишай , вызываются инфекционными грибами , питающимися кератином. [33]

Кератин обладает высокой устойчивостью к пищеварительным кислотам при попадании в организм. Кошки регулярно проглатывают шерсть во время ухода за собой , что приводит к постепенному образованию комков шерсти , которые могут выводиться через рот или выводиться из организма. У людей трихофагия может привести к синдрому Рапунцель — чрезвычайно редкому, но потенциально смертельному заболеванию кишечника.

Диагностическое использование

Экспрессия кератина помогает определить эпителиальное происхождение анапластического рака. Опухоли, экспрессирующие кератин, включают карциномы , тимомы , саркомы и трофобластические новообразования . Кроме того, точная картина экспрессии подтипов кератина позволяет прогнозировать происхождение первичной опухоли при оценке метастазов . Например, гепатоцеллюлярные карциномы обычно экспрессируют CK8 и CK18, а холангиокарциномы экспрессируют CK7, CK8 и CK18, тогда как метастазы колоректального рака экспрессируют CK20, но не CK7. [34]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ OED 2-е издание, 1989 г. как /ˈkɛrətɪn/
  2. ^ Статья «кератин» в онлайн-словаре Merriam-Webster .
  3. ^ Фрейзер, RDB (1972). Кератины: их состав, строение и биосинтез . Дом Баннерстоуна: Чарльз Томас. стр. 3–6. ISBN 978-0-398-02283-9.
  4. ^ Аб Ван, Бин (2016). «Кератин: структура, механические свойства, возникновение в биологических организмах и усилия по биоинспирации». Прогресс в материаловедении . 76 : 229–318. дои : 10.1016/j.pmatsci.2015.06.001 .
  5. ^ Насури, Алиреза (2020). «Формирование, строение и функции внескелетных костей млекопитающих». Биологические обзоры . 95 (4): 986–1019. дои : 10.1111/brv.12597. PMID  32338826. S2CID  216556342.
  6. ^ «Кератин». Интернет-словарь Вебстера . 22 мая 2023 г.
  7. ^ Винсент, Джулиан Ф.В.; Вегст, Ульрике ГК (июль 2004 г.). «Дизайн и механические свойства кутикулы насекомых». Строение и развитие членистоногих . 33 (3): 187–199. дои : 10.1016/j.asd.2004.05.006. ПМИД  18089034.
  8. ^ Томболато, Лука; Новицкая Екатерина Евгеньевна; Чен, По-Ю; Шеппард, Фред А.; МакКиттрик, Джоанна (февраль 2010 г.). «Микроструктура, упругие свойства и механизмы деформации рогового кератина». Акта Биоматериалы . 6 (2): 319–330. doi :10.1016/j.actbio.2009.06.033. ПМИД  19577667.
  9. ^ «Кератин». ВЕДАНТУ . Проверено 7 января 2022 г.[ постоянная мертвая ссылка ]
  10. ^ Хикман, Кливленд Пендлтон; Робертс, Ларри С.; Ларсон, Аллан Л. (2003). Комплексные принципы зоологии . Дубьюк, Айова: МакГроу-Хилл. п. 538. ИСБН 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. ПМЦ 1304386 . ПМИД  15240497. 
  12. ^ Алибарди, Лоренцо (сентябрь 2016 г.). «Ороговение зауропсидов основано на роговых бета-белках, особом типе кератин-ассоциированных роговых белков эпидермиса». Журнал экспериментальной зоологии, часть B: Молекулярная эволюция и эволюция развития . 326 (6): 338–351. дои : 10.1002/jez.b.22689. ПМИД  27506161.
  13. ^ Молл, Роланд; Диво, Маркус; Лангбейн, Лутц (июнь 2008 г.). «Человеческие кератины: биология и патология». Гистохимия и клеточная биология . 129 (6): 705–733. дои : 10.1007/s00418-008-0435-6. ПМК 2386534 . ПМИД  18461349. 
  14. ^ ab Швейцер Дж., Боуден П.Е., Куломб П.А. и др. (июль 2006 г.). «Новая консенсусная номенклатура кератинов млекопитающих». Дж. Клеточная Биол . 174 (2): 169–74. дои : 10.1083/jcb.200603161. ПМК 2064177 . ПМИД  16831889. 
  15. ^ «GeneCards - Гены человека | База данных генов» .
  16. ^ Ханукоглу, Израиль; Фукс, Элейн (ноябрь 1982 г.). «Последовательность кДНК эпидермального кератина человека: расхождение последовательности, но сохранение структуры среди белков промежуточных филаментов». Клетка . 31 (1): 243–252. дои : 10.1016/0092-8674(82)90424-x. PMID  6186381. S2CID  35796315.
  17. ^ abc Ханукоглу, Израиль; Фукс, Элейн (июль 1983 г.). «Последовательность кДНК кератина цитоскелета типа II обнаруживает постоянные и переменные структурные домены среди кератинов». Клетка . 33 (3): 915–924. дои : 10.1016/0092-8674(83)90034-x. PMID  6191871. S2CID  21490380.
  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 нитей». Структурная и молекулярная биология природы . 19 (7): 707–715. дои : 10.1038/nsmb.2330. ПМЦ 3864793 . ПМИД  22705788. 
  19. ^ «Кератин типа II - обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 28 марта 2023 г.
  20. ^ Воэт, Дональд; Воэт, Джудит Г.; Пратт, Шарлотта В. (1998). «Белки: трехмерная структура» (PDF) . Основы биохимии . Уайли. п. 158. ИСБН 978-0-471-58650-0. Архивировано (PDF) из оригинала 17 сентября 2006 г. Фиброзные белки характеризуются единственным типом вторичной структуры: кератин представляет собой левозакрученный клубок из двух а-спиралей.
  21. ^ Ханукоглу, Израиль; Эзра, Лиора (январь 2014 г.). «Запись в протеопедии: Спирально-спиральная структура кератинов: мультимедиа в области биохимии и молекулярной биологии». Образование в области биохимии и молекулярной биологии . 42 (1): 93–94. дои : 10.1002/bmb.20746 . PMID  24265184. S2CID  30720797.
  22. ^ «Вторичный белок». Элмхерст.edu. Архивировано из оригинала 22 сентября 2010 г. Проверено 23 сентября 2010 г.
  23. ^ «Что такое кератин?». МудрыйГИК . Проверено 11 мая 2014 г.
  24. ^ Х Брагулла, Герман; Дж. Хомбергер, Доминик (2009). «Структура и функции кератиновых белков в простом, многослойном, ороговевшем и ороговевшем эпителии». Журнал анатомии . 214 (4): 516–559. дои : 10.1111/j.1469-7580.2009.01066.x. ПМЦ 2736122 . ПМИД  19422428. 
  25. ^ Лейхнер, К; Йелькманн, М; Бернкоп-Шнурх, А (2019). «Тиолированные полимеры: биоинспирированные полимеры, использующие одну из наиболее важных 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, Дж; Африат, ИК; Ксавье, Дж. Х.; Попеску, LC (2011). «Косметические композиции, содержащие тиомеры для сохранения цвета волос». Us20110229430A1 .
  27. ^ Гриссингер, Дж. А.; Боненгель, С; Партенхаузер, А; Иджаз, М; Бернкоп-Шнурх, А (2017). «Тиолированные полимеры: оценка их потенциала в качестве дермоадгезивных вспомогательных веществ». Разработчик лекарств. Индийская Фарм . 43 (2): 204–212. дои : 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 в качестве адгезивных защитных средств для кожи для улучшения барьерной функции». Межд. Дж. Косм. Наука . 38 (3): 257–265. дои : 10.1111/ics.12284. PMID  26444859. S2CID  38357104.
  29. ^ Ле-Винь, Б; Стейнбринг, К; Нгуен Ле, Нью-Мексико; Матущак, Б; Бернкоп-Шнурх, А (2023). «S-защищенный тиолированный хитозан по сравнению с тиолированным хитозаном в качестве клеточных адгезивных биоматериалов для тканевой инженерии». Интерфейсы прикладных программ ACS . 15 (34): 40304–40316. doi : 10.1021/acsami.3c09337. ПМЦ 10472333 . ПМИД  37594415. 
  30. ^ Австралия. «Пауки – Шелковая структура». Amonline.net.au. Архивировано из оригинала 8 мая 2009 г. Проверено 23 сентября 2010 г.
  31. ^ Ширацучи, Хидеки; Сайто, Цуёси; Сакамото, Акио; Итакура, Эйджун; Тамия, Садафуми; Осиро, Юми; Ода, Ёсинао; Тох, Сатоши; Комияма, Сотаро; Цунэёси, Масадзуми (февраль 2002 г.). «Анализ мутаций гена цитокератина 8 человека в злокачественной рабдоидной опухоли: возможная связь с образованием внутрицитоплазматических телец включения». Современная патология . 15 (2): 146–153. doi : 10.1038/modpathol.3880506 . ПМИД  11850543.
  32. ^ Итакура, Эйджун; Тамия, Садафуми; Морита, Кейсуке; Сирацучи, Хидеки; Киносита, Ёсиаки; Осиро, Юми; Ода, Ёсинао; Охта, Сигеру; Фуруэ, Масутака; Цунэёси, Масадзуми (сентябрь 2001 г.). «Субклеточное распределение цитокератина и виментина в злокачественной рабдоидной опухоли: трехмерная визуализация с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии и двойной иммунофлуоресценции». Современная патология . 14 (9): 854–861. doi : 10.1038/modpathol.3880401 . ПМИД  11557780.
  33. ^ Мерсер, Дерри К; Стюарт, Колин С. (1 января 2019 г.). «Гидролиз кератина дерматофитами». Медицинская микология . 57 (1): 13–22. дои : 10.1093/mmy/myx160. ПМИД  29361043.
  34. ^ Омари, М. Бишр; Ку, Нам-Он; Стрнад, Павел; Ханада, Шиничиро (1 июля 2009 г.). «На пути к разгадке сложности простых эпителиальных кератинов при заболеваниях человека». Журнал клинических исследований . 119 (7): 1794–1805. дои : 10.1172/JCI37762. ПМК 2701867 . ПМИД  19587454. 

Внешние ссылки

В Wikisource есть текст статьи «Кератин» из Американской энциклопедии 1920 года .