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 более 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.
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 .
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]
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]
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]
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 .
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.
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]
Было предложено, что кератины можно разделить на «твердые» 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.
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.
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.
Клеи, изготовленные из частично гидролизованного кератина, включают копытный клей и роговой клей.
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.
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, тогда как метастазы колоректальных карцином экспрессируют CK20, но не CK7. [34]
Фибриллярные белки характеризуются одним типом вторичной структуры: кератин представляет собой левозакрученную спираль из двух а-спиралей
