Cheratina - Keratin

Microscopia dei filamenti di cheratina all'interno delle cellule

Cheratina ( / k ɛr ə t ɪ n / ) è uno di una famiglia di proteine strutturali fibrose note come scleroproteine . L'α-cheratina è un tipo di cheratina presente nei vertebrati. È il materiale strutturale chiave che compone scaglie , capelli , unghie , piume , corna , artigli , zoccoli , calli e lo strato esterno della pelle tra i vertebrati. La cheratina protegge anche le cellule epiteliali da danni o stress. La cheratina è estremamente insolubile in acqua e solventi organici. I monomeri di cheratina si assemblano in fasci per formare filamenti intermedi , che sono resistenti e formano forti appendici epidermiche non mineralizzate che si trovano in rettili , uccelli , anfibi e mammiferi . L'eccessiva cheratinizzazione partecipa alla fortificazione di alcuni tessuti come nelle corna dei bovini e dei rinoceronti e nell'osteoderma degli armadilli. L'unica altra materia biologica nota per approssimare la durezza del tessuto cheratinizzato è la chitina . La cheratina è di due tipi, le forme primitive e più morbide che si trovano in tutti i vertebrati e le forme derivate più dure che si trovano solo tra i sauropsidi (rettili e uccelli). La cheratina resiste alla digestione, motivo per cui i gatti rigurgitano i boli di pelo .

La seta di ragno è classificata come cheratina, sebbene la produzione della proteina possa essersi evoluta indipendentemente dal processo nei vertebrati.

Esempi di occorrenza

Le corna del impala sono fatti di cheratina che copre un nucleo di osso .

α-cheratine si trovano in tutti i vertebrati. Formano il pelo (compresa la lana ), lo strato esterno della pelle , le corna , le unghie , gli artigli e gli zoccoli dei mammiferi e i fili di melma delle missine . I filamenti di cheratina sono abbondanti nei cheratinociti nellostrato corneo dell'epidermide ; queste sono proteine ​​che hanno subito cheratinizzazione . Sono presenti anche nelle cellule epiteliali in genere. Ad esempio, le cellule epiteliali timiche di topo reagiscono con gli anticorpi per la cheratina 5, la cheratina 8 e la cheratina 14. Questi anticorpi vengono utilizzati come marcatori fluorescenti per distinguere sottogruppi dicellule epiteliali timiche di toponegli studi genetici del timo .

Le β-cheratine più dure si trovano solo nei sauropsidi , cioè tutti i rettili e gli uccelli viventi . Si trovano nelle unghie, nelle squame e negli artigli dei rettili , in alcuni gusci di rettili ( testudine , come testuggini , tartarughe , tartarughe ), e nelle piume , nei becchi e negli artigli degli uccelli . Queste cheratine si formano principalmente in fogli beta . Tuttavia, i fogli beta si trovano anche nelle α-cheratine. Le baleen piastre di filtratori balene sono fatti di cheratina. Studi recenti hanno dimostrato che le -cheratine dei sauropsidi sono fondamentalmente diverse dalle α-cheratine a livello genetico e strutturale. Il nuovo termine proteina beta corneale (CBP) è stato proposto per evitare confusione con α-cheratine.

Le cheratine (descritte anche come citocheratine ) sono polimeri di filamenti intermedi di tipo I e di tipo II che sono stati trovati solo nei cordati ( vertebrati , anfiossi , urocordati ). I nematodi e molti altri animali non cordati sembrano avere solo filamenti intermedi di tipo VI , fibre che strutturano il nucleo .

geni

Le cheratine neutre-basiche sono codificate sul cromosoma 12 (12q13.13).
Le cheratine acide sono codificate sul cromosoma 17 (17q21.2).

Il genoma umano codifica 54 geni funzionali della cheratina , situati in due cluster sui cromosomi 12 e 17. Ciò suggerisce che abbiano avuto origine da una serie di duplicazioni geniche su questi cromosomi.

Le cheratine comprendono i seguenti proteine di cui 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 e KRT86 sono stati usati per descrivere le cheratine oltre 20.

Allineamento della sequenza proteica della cheratina umana 1, 2A, 3,4, 5, 6A, 7 e 8 (KRT1 – KRT8). Sopra è mostrato solo il primo dominio dell'asta. L'allineamento è stato creato utilizzando Clustal Omega .

struttura proteica

Le prime sequenze di cheratina sono state determinate da Israel Hanukoglu e Elaine Fuchs (1982, 1983). Queste sequenze hanno rivelato che ci sono due famiglie di cheratina distinte ma omologhe, che sono state chiamate cheratine di tipo I e di tipo II. Mediante l'analisi delle strutture primarie di queste cheratine e di altre proteine ​​dei filamenti intermedi, Hanukoglu e Fuchs hanno suggerito un modello in cui le cheratine e le proteine ​​dei filamenti intermedi contengono un dominio residuo centrale di ~310 con quattro segmenti in conformazione α-elica che sono separati da tre brevi linker segmenti previsti per essere in conformazione beta-turn. Questo modello è stato confermato dalla determinazione della struttura cristallina di un dominio elicoidale di cheratine.

Cheratina (alto peso molecolare) nelle cellule del dotto biliare e nelle cellule ovali del fegato di cavallo .

Le molecole fibrose di cheratina si superavvolgono per formare un motivo superelicoidale mancino molto stabile per multimerizzare, formando filamenti costituiti da più copie del monomero di cheratina .

La forza principale che mantiene la struttura a spirale sono le interazioni idrofobiche tra i residui apolari lungo i segmenti elicoidali della cheratina.

Lo spazio interno limitato è il motivo per cui la tripla elica del collagene (non correlato) proteico strutturale , presente nella pelle , nella cartilagine e nell'osso , ha anch'esso un'alta percentuale di glicina . La proteina del tessuto connettivo elastina ha anche un'alta percentuale sia di glicina che di alanina . La fibroina di seta , considerata una -cheratina, può avere questi due come il 75-80% del totale, con il 10-15% di serina , mentre il resto ha gruppi laterali voluminosi. Le catene sono antiparallele, con orientamento alternato C → N. Una preponderanza di amminoacidi con piccoli gruppi laterali non reattivi è caratteristica delle proteine ​​strutturali, per le quali l'impaccamento stretto legato all'H è più importante della specificità chimica .

Ponti disolfuro

Oltre ai legami idrogeno intra e intermolecolari , la caratteristica distintiva delle cheratine è la presenza di grandi quantità dell'aminoacido cisteina contenente zolfo , necessaria per i ponti disolfuro che conferiscono ulteriore forza e rigidità mediante reticolazione permanente e termicamente stabile -in molto allo stesso modo in cui i ponti di zolfo non proteici stabilizzano la gomma vulcanizzata . I capelli umani sono circa il 14% di cisteina. Gli odori pungenti dei capelli e della pelle bruciati sono dovuti ai composti solforati volatili formati. L'esteso legame disolfuro contribuisce all'insolubilità delle cheratine, tranne che in un piccolo numero di solventi come agenti dissocianti o riducenti .

Le cheratine più flessibili ed elastiche dei capelli hanno meno ponti disolfuro intercatena rispetto alle cheratine delle unghie , degli zoccoli e degli artigli dei mammiferi (strutture omologhe), che sono più dure e più simili ai loro analoghi in altre classi di vertebrati. I capelli e altre α-cheratine sono costituiti da singoli filamenti proteici α-elicoidali (con un regolare legame H intra-catena ), che vengono poi ulteriormente attorcigliati in corde superelicoidali che possono essere ulteriormente arrotolate. Le -cheratine di rettili e uccelli hanno fogli pieghettati attorcigliati insieme, quindi stabilizzati e induriti da ponti disolfuro.

Formazione del filamento

È stato proposto che le cheratine possano essere suddivise in forme "dure" e "morbide", o " citocheratine " e "altre cheratine". Quel modello è ora inteso come corretto. Una nuova aggiunta nucleare nel 2006 per descrivere le cheratine tiene conto di questo.

I filamenti di cheratina sono filamenti intermedi . Come tutti i filamenti intermedi, le proteine ​​della cheratina formano polimeri filamentosi in una serie di fasi di assemblaggio che iniziano con la dimerizzazione; i dimeri si assemblano in tetrameri e ottameri e infine, se l'ipotesi attuale è valida, in filamenti di lunghezza unitaria (ULF) capaci di ricottura da un'estremità all'altra in lunghi filamenti.

accoppiamento

A (neutro-base) B (acido) Evento
cheratina 1 , cheratina 2 cheratina 9 , cheratina 10 strato corneo , cheratinociti
cheratina 3 cheratina 12 cornea
cheratina 4 cheratina 13 epitelio stratificato
cheratina 5 cheratina 14 , cheratina 15 epitelio stratificato
cheratina 6 cheratina 16 , cheratina 17 epitelio squamoso
cheratina 7 cheratina 19 epiteli duttali
cheratina 8 cheratina 18 , cheratina 20 epitelio semplice

cornificazione

La cornificazione è il processo di formazione di una barriera epidermica nel tessuto epiteliale squamoso stratificato. A livello cellulare, la cornificazione è caratterizzata da:

  • produzione di cheratina
  • produzione di piccole proteine ​​​​ricche di prolina (SPRR) e transglutaminasi che alla fine formano un involucro cellulare cornificato sotto la membrana plasmatica
  • differenziazione terminale
  • perdita di nuclei e organelli, nelle fasi finali della cornificazione

Il metabolismo cessa e le cellule sono quasi completamente riempite di cheratina. Durante il processo di differenziazione epiteliale, le cellule si cornificano poiché la proteina della cheratina viene incorporata in filamenti intermedi di cheratina più lunghi. Alla fine il nucleo e gli organelli citoplasmatici scompaiono, il metabolismo cessa e le cellule subiscono una morte programmata quando diventano completamente cheratinizzate. In molti altri tipi di cellule, come le cellule del derma, i filamenti di cheratina e altri filamenti intermedi funzionano come parte del citoscheletro per stabilizzare meccanicamente la cellula contro lo stress fisico. Lo fa attraverso connessioni a desmosomi, placche giunzionali cellula-cellula ed emidesmosomi, strutture adesive della membrana basale cellulare.

Le cellule dell'epidermide contengono una matrice strutturale di cheratina, che rende questo strato più esterno della pelle quasi impermeabile e, insieme al collagene e all'elastina, conferisce alla pelle la sua forza. Lo sfregamento e la pressione provocano un ispessimento dello strato esterno cornificato dell'epidermide e formano calli protettivi, utili per gli atleti e sui polpastrelli dei musicisti che suonano strumenti a corda. Le cellule epidermiche cheratinizzate vengono costantemente eliminate e sostituite.

Queste strutture dure e tegumentarie sono formate dalla cementazione intercellulare di fibre formate da cellule morte e cornificate generate da letti specializzati in profondità all'interno della pelle. I capelli crescono continuamente e le piume si ammucchiano e si rigenerano. Le proteine ​​costituenti possono essere filogeneticamente omologhe ma differiscono alquanto nella struttura chimica e nell'organizzazione supermolecolare. Le relazioni evolutive sono complesse e conosciute solo in parte. Sono stati identificati più geni per le β-cheratine nelle piume, e questo è probabilmente caratteristico di tutte le cheratine.

Seta

Le fibroine di seta prodotte da insetti e ragni sono spesso classificate come cheratine, sebbene non sia chiaro se siano filogeneticamente correlate alle cheratine dei vertebrati.

La seta trovata nelle pupe di insetti , nelle ragnatele e negli involucri delle uova, ha anche fogli piegati a intrecciati incorporati in fibre avvolte in aggregati supermolecolari più grandi. La struttura delle filiere sulle code dei ragni, e i contributi delle loro ghiandole interne , forniscono un notevole controllo della rapida estrusione . La seta di ragno ha in genere uno spessore compreso tra 1 e 2 micrometri (µm), rispetto a circa 60 µm per i capelli umani e di più per alcuni mammiferi. Le proprietà biologicamente e commercialmente utili delle fibre di seta dipendono dall'organizzazione di più catene proteiche adiacenti in regioni dure e cristalline di varie dimensioni, alternate a regioni flessibili e amorfe in cui le catene sono avvolte casualmente . Una situazione alquanto analoga si verifica con i polimeri sintetici come il nylon , sviluppato come sostituto della seta. La seta del bozzolo del calabrone contiene doppietti di circa 10 µm di diametro, con nuclei e rivestimento, e può essere disposta in un massimo di 10 strati, anche in placche di forma variabile. Anche i calabroni adulti usano la seta come colla , così come i ragni.

Significato clinico

Alcuni funghi infettivi , come quelli che causano il piede d'atleta e la tigna (cioè i dermatofiti ) si nutrono di cheratina.

Le malattie causate da mutazioni nei geni della cheratina includono:

L'espressione della cheratina è utile nel determinare l'origine epiteliale nei tumori anaplastici . I tumori che esprimono cheratina comprendono carcinomi , timomi , sarcomi e neoplasie trofoblastiche . Inoltre, il preciso modello di espressione dei sottotipi di cheratina consente di prevedere l'origine del tumore primario durante la valutazione delle metastasi . Ad esempio, i carcinomi epatocellulari esprimono tipicamente CK8 e CK18 e i colangiocarcinomi esprimono CK7, CK8 e CK18, mentre le metastasi dei carcinomi del colon-retto esprimono CK20, ma non CK7.

La cheratina è altamente resistente agli acidi digestivi se ingerita, come avviene nella malattia umana tricofagia . Pertanto, i gatti (che si puliscono con la lingua) ingeriscono regolarmente i capelli, portando alla graduale formazione di una palla di pelo che può essere vomitata. La sindrome di Rapunzel , una condizione intestinale estremamente rara ma potenzialmente fatale nell'uomo, è causata dalla tricofagia.

Guarda anche

Riferimenti

link esterno