Keratin - Keratin

Mikroskopie von Keratinfilamenten in Zellen

Keratin ( / k ɛr ə t ɪ n / ) ist eines aus einer Familie von Faserstrukturproteinen bekannt als Skleroproteine . α-Keratin ist eine Art von Keratin, die in Wirbeltieren vorkommt. Es ist das wichtigste strukturelle Material, aus dem Schuppen , Haare , Nägel , Federn , Hörner , Klauen , Hufe , Schwielen und die äußere Hautschicht bei Wirbeltieren bestehen. Keratin schützt auch Epithelzellen vor Schäden oder Stress. Keratin ist in Wasser und organischen Lösungsmitteln extrem unlöslich. Keratinmonomere ordnen sich zu Bündeln an, um Zwischenfilamente zu bilden , die zäh sind und starke nichtmineralisierte epidermale Anhängsel bilden, die bei Reptilien , Vögeln , Amphibien und Säugetieren vorkommen . Eine übermäßige Keratinisierung trägt zur Stärkung bestimmter Gewebe wie in den Hörnern von Rindern und Nashörnern und dem Osteoderm von Gürteltieren bei. Das einzige andere biologische Material, von dem bekannt ist, dass es der Zähigkeit von keratinisiertem Gewebe nahe kommt, ist Chitin . Keratin kommt in zwei Arten vor, den primitiven, weicheren Formen, die bei allen Wirbeltieren vorkommen, und den härteren, abgeleiteten Formen, die nur bei Sauropsiden (Reptilien und Vögeln) zu finden sind. Keratin widersetzt sich der Verdauung, weshalb Katzen Haarballen erbrechen .

Spinnenseide wird als Keratin klassifiziert, obwohl sich die Produktion des Proteins unabhängig vom Prozess bei Wirbeltieren entwickelt haben kann.

Beispiele für das Auftreten

Die Hörner des Impalas bestehen aus Keratin, das einen Knochenkern bedeckt .

α-Keratine kommen in allen Wirbeltieren vor. Sie bilden die Haare (einschließlich Wolle ), die äußere Hautschicht , Hörner , Nägel , Klauen und Hufe von Säugetieren und die Schleimfäden von Schleimfischen . Keratinfilamente sind in Keratinozyten in der Hornschicht der Epidermis reichlich vorhanden; Dies sind Proteine, die eine Verhornung erfahren haben. Sie sind auch in Epithelzellen im Allgemeinen vorhanden. Zum Beispiel reagieren die Thymusepithelzellen der Maus mit Antikörpern für Keratin 5, Keratin 8 und Keratin 14. Diese Antikörper werden als Fluoreszenzmarker verwendet , um Untergruppen von Thymusepithelzellen der Mausin genetischen Studien des Thymus zu unterscheiden .

Die härteren β-Keratine kommen nur in den Sauropsiden vor , also allen lebenden Reptilien und Vögeln . Sie sind in den Nägeln, gefunden Schuppen und Klauen von Reptilien in einigen Reptilien Schalen ( Testudines , wie Schildkröte , Schildkröte , dosen ) und in den Federn , Schnäbel und Krallen der Vögel . Diese Keratine werden hauptsächlich in Beta-Sheets gebildet . Beta-Sheets finden sich jedoch auch in α-Keratinen. Die Bartenplatten von Filterfress Wale sind aus Keratin. Neuere Forschungen haben gezeigt, dass sich Sauropsid-β-Keratine auf genetischer und struktureller Ebene grundlegend von α-Keratinen unterscheiden. Der neue Begriff Corneous Beta Protein (CBP) wurde vorgeschlagen, um eine Verwechslung mit α-Keratinen zu vermeiden.

Keratine (auch als Zytokeratine bezeichnet ) sind Polymere der Intermediärfilamente Typ I und Typ II , die nur in Chordaten ( Vertebraten , Amphioxus , Urochordate ) gefunden wurden. Nematoden und viele andere Tiere, die keine Chordatiere sind, scheinen nur Intermediärfilamente vom Typ VI zu haben , Fasern, die den Zellkern strukturieren .

Gene

Die neutral-basischen Keratine sind auf Chromosom 12 (12q13.13) kodiert.
Die sauren Keratine sind auf Chromosom 17 (17q21.2) kodiert.

Das menschliche Genom kodiert 54 funktionelle Keratin- Gene , die sich in zwei Clustern auf den Chromosomen 12 und 17 befinden. Dies deutet darauf hin, dass sie aus einer Reihe von Genduplikationen auf diesen Chromosomen stammen.

Die Keratine umfassen die folgenden Proteine , von denen 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 und KRT86 wurden verwendet, um Keratine nach 20 zu beschreiben.

Proteinsequenz-Alignment von humanem Keratin 1, 2A, 3,4, 5, 6A, 7 und 8 (KRT1 – KRT8). Nur die erste Stabdomäne ist oben gezeigt. Die Ausrichtung wurde mit Clustal Omega erstellt .

Proteinstruktur

Die ersten Keratinsequenzen wurden von Israel Hanukoglu und Elaine Fuchs (1982, 1983) bestimmt. Diese Sequenzen zeigten, dass es zwei verschiedene, aber homologe Keratinfamilien gibt, die als Typ-I- und Typ-II-Keratine bezeichnet wurden. Durch Analyse der Primärstrukturen dieser Keratine und anderer intermediärer Filamentproteine ​​schlugen Hanukoglu und Fuchs ein Modell vor, in dem Keratine und intermediäre Filamentproteine ​​eine zentrale ~310-Reste-Domäne mit vier Segmenten in α-helikaler Konformation enthalten, die durch drei kurze Linker getrennt sind Segmente, von denen vorhergesagt wird, dass sie sich in der Beta-Turn-Konformation befinden. Dieses Modell wurde durch die Bestimmung der Kristallstruktur einer helikalen Domäne von Keratinen bestätigt.

Keratin (hohe Molekulargewicht) in dem Gallengang Zelle und ovalen Zellen von Pferdeleber .

Faserige Keratinmoleküle wickeln sich super zusammen, um ein sehr stabiles, linkshändiges superhelikales Motiv zu bilden, das sich multimerisiert und Filamente bildet, die aus mehreren Kopien des Keratinmonomers bestehen .

Die Hauptkraft, die die Coiled-Coil-Struktur aufrechterhält, sind hydrophobe Wechselwirkungen zwischen apolaren Resten entlang der helikalen Segmente des Keratins.

Der begrenzte Innenraum ist der Grund, warum die Tripelhelix des (nicht verwandten) Strukturproteins Kollagen , das in Haut , Knorpel und Knochen vorkommt , ebenfalls einen hohen Anteil an Glycin aufweist . Auch das Bindegewebsprotein Elastin weist einen hohen Anteil an Glycin und Alanin auf . Seide - Fibroin , ein β-Keratin betrachtet wird , können diese beiden als 75-80% der Gesamtfläche haben, mit 10-15% Serin , wobei der Rest sperrigen Seitengruppen. Die Ketten sind antiparallel mit alternierender C → N-Orientierung. Ein Übergewicht von Aminosäuren mit kleinen, nicht reaktiven Seitengruppen ist charakteristisch für Strukturproteine, für die eine dichte H-Brückenpackung wichtiger ist als die chemische Spezifität .

Disulfidbrücken

Zusätzlich zur intra- und intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen , das Unterscheidungsmerkmal der Keratine ist die Anwesenheit von großen Mengen des Schwefels -haltigen Aminosäure Cystein , für die erforderlichen Disulfidbrücken , die zusätzliche Festigkeit und Steifigkeit verleihen , indem permanent, thermisch stabiler Vernetzungs -in wesentlich Ebenso stabilisieren nicht-proteinhaltige Schwefelbrücken vulkanisierten Kautschuk . Menschliches Haar besteht zu etwa 14 % aus Cystein. Die stechenden Gerüche von brennenden Haaren und Haut sind auf die gebildeten flüchtigen Schwefelverbindungen zurückzuführen. Ausgedehnte Disulfidbindungen tragen zur Unlöslichkeit von Keratinen bei, außer in einigen wenigen Lösungsmitteln wie Dissoziations- oder Reduktionsmitteln .

Die flexibleren und elastischeren Keratine des Haares haben weniger Disulfidbrücken zwischen den Ketten als die Keratine in den Fingernägeln , Hufen und Klauen von Säugetieren (homologe Strukturen), die härter und ihren Analogen in anderen Wirbeltierklassen ähnlicher sind. Haare und andere α-Keratine bestehen aus α-helikal einzelner Proteinsträngen aufgewickelt (mit regelmäßiger intra-Kette H-Bindung ), die in superhelikalen dann weiter verdrillt sind Seile , die weiter aufgerollt werden können. Die β-Keratine von Reptilien und Vögeln haben β-Faltenblätter, die miteinander verdreht sind, dann durch Disulfidbrücken stabilisiert und gehärtet werden.

Filamentbildung

Es wurde vorgeschlagen, Keratine in „harte“ und „weiche“ Formen oder in „ Zytokeratine “ und „andere Keratine“ zu unterteilen. Dieses Modell wird jetzt als richtig verstanden. Ein neuer nuklearer Zusatz im Jahr 2006 zur Beschreibung von Keratinen trägt dem Rechnung.

Keratinfilamente sind Zwischenfilamente . Wie alle intermediären Filamente bilden Keratinproteine ​​filamentöse Polymere in einer Reihe von Montageschritten, beginnend mit der Dimerisierung; Dimere zubauen in Tetramere und Octamere und schließlich, wenn die aktuelle Hypothese, in Einheitslängen-Filamente (ULF) in der Lage hält Ausheilen von Ende zu Ende in lange Fäden.

Paarung

A (neutral-basisch) B (sauer) Auftreten
Keratin 1 , Keratin 2 Keratin 9 , Keratin 10 Stratum corneum , Keratinozyten
Keratin 3 Keratin 12 Hornhaut
Keratin 4 Keratin 13 geschichtetes Epithel
Keratin 5 Keratin 14 , Keratin 15 geschichtetes Epithel
Keratin 6 Keratin 16 , Keratin 17 Plattenepithel
Keratin 7 Keratin 19 Gangepithelien
Keratin 8 Keratin 18 , Keratin 20 einfaches Epithel

Verhornung

Verhornung ist der Prozess der Bildung einer epidermalen Barriere in geschichtetem Plattenepithelgewebe. Auf zellulärer Ebene ist die Verhornung gekennzeichnet durch:

  • Produktion von Keratin
  • Produktion von kleinen prolinreichen (SPRR) Proteinen und Transglutaminase, die schließlich eine verhornte Zellhülle unter der Plasmamembran bilden
  • Terminaldifferenzierung
  • Verlust von Kernen und Organellen, im Endstadium der Verhornung

Der Stoffwechsel hört auf und die Zellen sind fast vollständig mit Keratin gefüllt. Während des Prozesses der epithelialen Differenzierung werden Zellen verhornt, da Keratinprotein in längere Keratin-Zwischenfilamente eingebaut wird. Schließlich verschwinden der Zellkern und die zytoplasmatischen Organellen, der Stoffwechsel hört auf und die Zellen unterliegen einem programmierten Tod, wenn sie vollständig keratinisiert werden. In vielen anderen Zelltypen, wie beispielsweise Zellen der Dermis, fungieren Keratinfilamente und andere Zwischenfilamente als Teil des Zytoskeletts, um die Zelle mechanisch gegen physikalische Belastung zu stabilisieren. Dies geschieht durch Verbindungen zu Desmosomen, Zell-Zell-Verbindungsplaques und Hemidesmosomen, Zell-Basen-Membran-Adhäsionsstrukturen.

Zellen in der Epidermis enthalten eine strukturelle Keratinmatrix, die diese äußerste Hautschicht fast wasserdicht macht und zusammen mit Kollagen und Elastin der Haut ihre Festigkeit verleiht. Reibung und Druck führen zu einer Verdickung der äußeren, verhornten Schicht der Epidermis und bilden schützende Schwielen, die für Sportler und an den Fingerspitzen von Musikern, die Saiteninstrumente spielen, nützlich sind. Keratinisierte Epidermiszellen werden ständig abgestoßen und ersetzt.

Diese harten, integumentären Strukturen werden durch interzelluläres Zementieren von Fasern gebildet, die aus den toten, verhornten Zellen gebildet werden, die von spezialisierten Betten tief in der Haut erzeugt werden. Haare wachsen kontinuierlich und Federn häuten sich und regenerieren sich. Die konstituierenden Proteine ​​können phylogenetisch homolog sein, unterscheiden sich jedoch etwas in der chemischen Struktur und der supermolekularen Organisation. Die evolutionären Zusammenhänge sind komplex und nur teilweise bekannt. Für die β-Keratine in Federn wurden mehrere Gene identifiziert, und dies ist wahrscheinlich für alle Keratine charakteristisch.

Die Seide

Die Seide Fibroine produziert von Insekten und Spinnen werden oft als Keratine eingestuft, obwohl es unklar ist , ob sie phylogenetisch wirbel Keratine verwandt sind.

Seide gefunden in Insekten Puppen und in Spinnennetzen und Eier Gehäusen, hat auch verdrillten β-Faltblätter in Fasern eingebaut gewickelt in größere supra Aggregate. Die Struktur der Spinndüsen an den Schwänzen der Spinnen und die Beiträge ihrer inneren Drüsen ermöglichen eine bemerkenswerte Kontrolle der schnellen Extrusion . Spinnenseide ist typischerweise etwa 1 bis 2 Mikrometer (µm) dick, verglichen mit etwa 60 µm für menschliches Haar und mehr für einige Säugetiere. Die biologisch und kommerziell nützlichen Eigenschaften von Seidenfasern hängen von der Organisation mehrerer benachbarter Proteinketten in harte, kristalline Regionen unterschiedlicher Größe ab, die sich mit flexiblen, amorphen Regionen abwechseln, in denen die Ketten zufällig gewunden sind . Eine etwas analoge Situation tritt bei synthetischen Polymeren wie Nylon auf , die als Seidenersatz entwickelt wurden. Seide aus der Hornisse Kokon enthält Dubletts etwa 10 um breit, mit Kernen und Beschichtungs und kann in bis zu 10 Schichten, auch in Plaques von variabler Form angeordnet werden. Auch erwachsene Hornissen verwenden Seide als Klebstoff , ebenso wie Spinnen.

Klinische Bedeutung

Einige infektiöse Pilze , wie die, die Fußpilz und Ringelflechte verursachen (dh die Dermatophyten ), ernähren sich von Keratin.

Zu den Krankheiten, die durch Mutationen in den Keratin-Genen verursacht werden, gehören:

Die Keratinexpression ist hilfreich bei der Bestimmung des epithelialen Ursprungs bei anaplastischen Krebsarten. Tumoren, die Keratin exprimieren, umfassen Karzinome , Thymome , Sarkome und trophoblastische Neoplasien . Darüber hinaus ermöglicht das genaue Expressionsmuster der Keratin-Subtypen die Vorhersage der Herkunft des Primärtumors bei der Beurteilung von Metastasen . Beispielsweise exprimieren hepatozelluläre Karzinome typischerweise CK8 und CK18, und Cholangiokarzinome exprimieren CK7, CK8 und CK18, während Metastasen von kolorektalen Karzinomen CK20 exprimieren, aber nicht CK7.

Keratin ist sehr resistent gegen Verdauungssäuren, wenn es eingenommen wird, wie es bei der menschlichen Erkrankung Trichophagie auftritt . Daher nehmen Katzen (die sich mit der Zunge putzen) regelmäßig Haare auf, was zur allmählichen Bildung eines Haarballs führt , der erbrochen werden kann. Das Rapunzel-Syndrom , eine extrem seltene, aber potenziell tödliche Darmerkrankung beim Menschen, wird durch Trichophagie verursacht.

Siehe auch

Verweise

Externe Links