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 , 72 , 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 восстанавливающие агенты.

Человеческий ноготь на ноге, отвалившийся после небольшой травмы. На нем было сделано три небольших прокола, пока он еще был прикреплен.

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 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 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». [ необходимы 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 отжигать 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 структурный матрикс 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 возникнуть 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. ^ Запись «кератин». Архивировано 9 мая 2013 г. в Wayback Machine в онлайн-словаре Merriam-Webster. Архивировано 22 сентября 2017 г. в Wayback Machine .
  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 . Архивировано из оригинала 19 сентября 2022 г. Проверено 03 июля 2019 г.
  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 года. Архивировано из оригинала 1 мая 2021 года . Проверено 9 августа 2018 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. Бибкод :2004АртСД..33..187В. 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. ПМК 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» . Архивировано из оригинала 13 мая 2023 г. Проверено 8 мая 2023 г.
  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. Архивировано из оригинала 26 января 2021 г. Проверено 3 июля 2019 г.
  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. Архивировано из оригинала 26 января 2021 г. Проверено 3 июля 2019 г.
  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 . Архивировано из оригинала 28 марта 2023 г. 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. Архивировано из оригинала 13 мая 2014 года . 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 .