Keratin - Keratin

Mikroskopi av keratinfilamenter inne i celler

Keratin ( / k ɛr ə t ɪ n / ) er en av en familie av fibrøse strukturelle proteiner kjent som scleroproteiner . α-Keratin er en type keratin som finnes hos virveldyr. Det er det viktigste strukturelle materialet som utgjør vekter , hår , negler , fjær , horn , klør , hover , calluses og det ytre lag av hud blant virveldyr. Keratin beskytter også epitelceller mot skader eller stress. Keratin er ekstremt uløselig i vann og organiske løsningsmidler. Keratin monomerer sammen til bunter for å danne mellomliggende filamenter , som er vanskelig og danner sterkt mineralisert epidermal vedheng som finnes i reptiler , fugler , amfibier og pattedyr . Overdreven keratinisering deltar i forsterkning av visse vev, for eksempel i horn til storfe og neshorn, og armadillos 'osteoderm. Det eneste andre biologiske stoffet som er kjent for å tilnærme seigheten til keratinisert vev er kitin . Keratin kommer i to typer, de primitive, mykere former som finnes hos alle virveldyr og hardere, avledede former som bare finnes blant sauropsider (reptiler og fugler). Keratin motstår fordøyelsen, og det er derfor katter får opp hårboller .

Edderkoppsilke er klassifisert som keratin, selv om produksjonen av proteinet kan ha utviklet seg uavhengig av prosessen hos virveldyr.

Eksempler på forekomst

De horn av innvirkningen er laget av keratin som dekker en kjerne av ben .

α-keratiner finnes hos alle virveldyr. De danner håret (inkludert ull ), det ytre hudlaget , horn , negler , klør og hover av pattedyr og slimtrådene av hagfish . Keratinfilamenter er rikelige i keratinocytter i det hornifiserte laget av epidermis ; Dette er proteiner som har gjennomgått keratinisering . De er også tilstede i epitelceller generelt. For eksempel reagerer musens tymiske epitelceller med antistoffer for keratin 5, keratin 8 og keratin 14. Disse antistoffene brukes som fluorescerende markører for å skille undergrupper av musens tymiske epitelceller i genetiske studier av thymus .

De hardere β-keratinene finnes bare i sauropsidene , det vil si alle levende krypdyr og fugler . De finnes i negler, skalaer , og klør av reptiler , i noen reptil skjell ( Testudines som skilpadde , skilpadde , terrapin ), og i fjær , nebb og klør av fugler . Disse keratinene dannes hovedsakelig i beta -ark . Betablader finnes imidlertid også i α-keratiner. De bardehvaler plater av filtrerende hval er laget av keratin. Nyere stipend har vist at sauropsid β-keratiner er fundamentalt forskjellige fra αα-keratiner på et genetisk og strukturelt nivå. Det nye begrepet corneous beta protein (CBP) har blitt foreslått for å unngå forvirring med α-keratiner.

Keratiner (også beskrevet som cytokeratiner ) er polymerer av mellomliggende filamenter av type I og type II som bare er funnet i akkordater ( virveldyr , amphioxus , urokordater ). Nematoder og mange andre ikke-akkordatdyr ser ut til å bare ha type VI mellomtråder , fibre som strukturerer kjernen .

Gener

De nøytrale - grunnleggende keratinene er kodet på kromosom 12 (12q13.13).
De sure keratinene er kodet på kromosom 17 (17q21.2).

De humane genom koder for 54 funksjonelle keratin -gener , som ligger i to grupper på kromosom 12 og 17. Dette tyder på at de stammer fra en serie av gene duplikasjoner på disse kromosomer.

Keratinene inkluderer følgende proteiner, hvorav 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 og KRT86 har blitt brukt til å beskrive keratiner etter 20.

Proteinsekvensjustering av human keratin 1, 2A, 3,4, 5, 6A, 7 og 8 (KRT1 - KRT8). Bare det første stangdomenet er vist ovenfor. Justering ble opprettet ved hjelp av Clustal Omega .

Proteinstruktur

De første sekvensene av keratiner ble bestemt av Israel Hanukoglu og Elaine Fuchs (1982, 1983). Disse sekvensene avslørte at det er to forskjellige, men homologe keratinfamilier, som ble kalt keratiner av type I og type II. Ved analyse av de primære strukturene til disse keratinene og andre mellomliggende filamentproteiner, foreslo Hanukoglu og Fuchs en modell der keratiner og mellomliggende filamentproteiner inneholder et sentralt ~ 310 restdomene med fire segmenter i α-spiralforming som er atskilt med tre korte linker segmenter spådd å være i beta-sving-konformasjon. Denne modellen har blitt bekreftet av bestemmelsen av krystallstrukturen til et spiralformet domene av keratiner.

Keratin (høy molekylvekt) i gallegangen celle og ovale celler av hest leveren .

Fibrøst keratin molekyler supercoil for å danne en meget stabil, venstrehendt superheliksform motiv til multimerise og danner filamenter som består av multiple kopier av keratin monomer .

Den viktigste kraften som holder spolestrukturen er hydrofobe interaksjoner mellom apolare rester langs keratinspiralsegmentene.

Begrenset indre rom er grunnen til at trippel helix av (urelaterte) strukturelt protein kollagen , som finnes i hud , brusk og ben , har likeledes en høy andel av glycin . Bindevevsproteinet elastin har også en høy prosentandel av både glycin og alanin . Silke fibroin , betraktet som en β-keratin, kan ha disse to som 75-80% av det totale, med 10-15% serin , med resten som har stor sidegrupper. Kjedene er parallelle, med vekslende C → N -retning. En overvekt av aminosyrer med små, ikke-reaktive sidegrupper er karakteristisk for strukturelle proteiner, for hvilke H-bundet nærpakning er viktigere enn kjemisk spesifisitet .

Disulfid -broer

I tillegg til intra- og intermolekylære hydrogenbindinger , er kjennetegn ved keratiner tilstedeværelsen av store mengder av den svovelholdige aminosyren cystein , som er nødvendig for disulfidbroene som gir ekstra styrke og stivhet ved permanent, termisk stabil tverrbinding - i mye på samme måte som ikke-protein svovelbroer stabiliserer vulkanisert gummi . Menneskehår er omtrent 14% cystein. De skarpe luktene av brennende hår og hud skyldes de flyktige svovelforbindelsene som dannes. Omfattende disulfidbinding bidrar til uløseligheten av keratiner, unntatt i et lite antall løsningsmidler som dissosierende eller reduserende midler.

De mer fleksible og elastiske keratinene i håret har færre interkjedede disulfidbroer enn keratinene i pattedyrs negler , hover og klør (homologe strukturer), som er hardere og mer som analogene deres i andre virveldyrklasser. Hår og andre α-keratiner består av α-spiralformede enkeltproteintråder (med vanlig H-binding mellom intra-kjeden ), som deretter vrides ytterligere til superheliske tau som kan spoles ytterligere. Β-keratinene til reptiler og fugler har β-foldede ark vridd sammen, deretter stabilisert og herdet av disulfidbroer.

Filamentdannelse

Det har blitt foreslått at keratiner kan deles inn i 'harde' og 'myke' former, eller ' cytokeratiner ' og 'andre keratiner'. Den modellen er nå forstått å være riktig. Et nytt atomtilskudd i 2006 for å beskrive keratiner tar hensyn til dette.

Keratinfilamenter er mellomliggende filamenter . Som alle mellomliggende filamenter danner keratinproteiner filamentøse polymerer i en serie samlingstrinn som begynner med dimerisering; dimerer samles i tetramerer og oktamerer og til slutt, hvis den nåværende hypotesen holder, til enhetlengde-filamenter (ULF) som er i stand til å gløde ende-til-ende i lange filamenter.

Sammenkobling

A (nøytral-grunnleggende) B (sur) Hendelse
keratin 1 , keratin 2 keratin 9 , keratin 10 stratum corneum , keratinocytter
keratin 3 keratin 12 hornhinnen
keratin 4 keratin 13 lagdelt epitel
keratin 5 keratin 14 , keratin 15 lagdelt epitel
keratin 6 keratin 16 , keratin 17 plateepitel
keratin 7 keratin 19 duktal epitel
keratin 8 keratin 18 , keratin 20 enkelt epitel

Cornification

Cornification er prosessen med å danne en epidermal barriere i stratifisert plateepitelepitelvev. På mobilnivå er cornification preget av:

  • produksjon av keratin
  • produksjon av små prolinrike (SPRR) proteiner og transglutaminase som til slutt danner en forhomede celleveggen under plasmamembranen
  • terminal differensiering
  • tap av kjerner og organeller, i de siste stadiene av cornification

Metabolismen opphører, og cellene fylles nesten fullstendig av keratin. Under epiteldifferensieringsprosessen blir celler cornified når keratinprotein blir inkorporert i lengre keratin -mellomliggende filamenter. Etter hvert forsvinner kjernen og de cytoplasmatiske organellene, stoffskiftet opphører og cellene gjennomgår en programmert død etter hvert som de blir fullstendig keratiniserte. I mange andre celletyper, for eksempel celler i dermis, fungerer keratinfilamenter og andre mellomliggende filamenter som en del av cytoskjelettet for å mekanisk stabilisere cellen mot fysisk stress. Det gjør dette gjennom forbindelser til desmosomer, celle-celleforbindelsesplater og hemidesmosomer, cellekjeller-membranlimstrukturer.

Celler i epidermis inneholder en strukturell matrise av keratin, som gjør dette ytterste lag av huden nesten vanntett, og sammen med kollagen og elastin gir huden sin styrke. Gni og trykk forårsaker fortykning av det ytre, cornified laget av epidermis og danner beskyttende calluses, som er nyttige for idrettsutøvere og på fingertuppene til musikere som spiller strengeinstrumenter. Keratiniserte epidermale celler blir stadig kastet og erstattet.

Disse harde, ikke -dokumentære strukturene dannes ved intercellulær sementering av fibre dannet fra de døde, cornified cellene generert av spesialiserte senger dypt inne i huden. Hår vokser kontinuerlig og fjær smelter og regenererer. De bestanddelene proteinene kan være fylogenetisk homologe, men avvike noe i kjemisk struktur og supermolekylær organisering. De evolusjonære forholdene er komplekse og bare delvis kjente. Det er identifisert flere gener for β-keratinene i fjær, og dette er sannsynligvis karakteristisk for alle keratiner.

Silke

De silke fibroins produsert av insekter og edderkopper er ofte klassifisert som keratin, men det er uklart om de er fylogenetisk relatert til virveldyr keratin.

Silke som finnes i insektpupper , og i edderkoppnett og egghylster, har også vridde β-foldede ark som er innlemmet i fibre viklet inn i større supermolekylære aggregater. Strukturen på snurrevadene på edderkoppens haler og bidragene fra deres indre kjertler gir en bemerkelsesverdig kontroll over rask ekstrudering . Edderkoppsilke er vanligvis omtrent 1 til 2 mikrometer (µm) tykk, sammenlignet med omtrent 60 µm for menneskehår og mer for noen pattedyr. De biologisk og kommersielt nyttige egenskapene til silkefibre avhenger av organiseringen av flere tilstøtende proteinkjeder i harde, krystallinske områder av varierende størrelse, vekslende med fleksible, amorfe områder der kjedene er tilfeldig spolet . En noe analog situasjon oppstår med syntetiske polymerer som nylon , utviklet som en silkeerstatning. Silke fra hornet kokong inneholder dubletter omtrent 10 um på tvers, med kjerner og belegg, og kan være anordnet i opp til 10 lag, også i plaketter med variabel form. Voksenhorneter bruker også silke som lim , det samme gjør edderkopper.

Klinisk signifikans

Noen smittsomme sopp , for eksempel de som forårsaker fotsopp og ringorm (dvs. dermatofytter ) lever av keratin.

Sykdommer forårsaket av mutasjoner i keratingenene inkluderer:

Keratinuttrykk er nyttig for å bestemme epitel opprinnelse ved anaplastisk kreft. Svulster som uttrykker keratin inkluderer karsinomer , tymomer , sarkomer og trofoblastiske neoplasmer . Videre tillater det presise ekspresjonsmønsteret for keratinundertyper å forutsi opprinnelsen til den primære svulsten ved vurdering av metastaser . For eksempel uttrykker hepatocellulære karsinomer vanligvis CK8 og CK18, og kolangiokarcinomer uttrykker CK7, CK8 og CK18, mens metastaser av kolorektale karsinomer uttrykker CK20, men ikke CK7.

Keratin er svært motstandsdyktig mot fordøyelsessyrer ved inntak, slik det forekommer ved menneskelig lidelse trikofagi . Dermed svelger katter (som pleier seg selv med tungen) regelmessig hår, noe som fører til en gradvis dannelse av en hårball som kan kastes opp. Rapunzel syndrom , en ekstremt sjelden, men potensielt dødelig tarmtilstand hos mennesker, er forårsaket av trikofagi.

Se også

Referanser

Eksterne linker