Queratina - Keratin

Microscopía de filamentos de queratina dentro de las células.

Queratina ( / k ɛr ə t ɪ n / ) es uno de una familia de proteínas estructurales fibrosas conocidas como escleroproteinas . La α-queratina es un tipo de queratina que se encuentra en los vertebrados. Es el material estructural clave que forma escamas , cabello , uñas , plumas , cuernos , garras , pezuñas , callos y la capa externa de piel entre los vertebrados. La queratina también protege las células epiteliales del daño o el estrés. La queratina es extremadamente insoluble en agua y disolventes orgánicos. Los monómeros de queratina se ensamblan en haces para formar filamentos intermedios , que son resistentes y forman fuertes apéndices epidérmicos no mineralizados que se encuentran en reptiles , aves , anfibios y mamíferos . La queratinización excesiva participa en la fortificación de ciertos tejidos, como los cuernos de ganado y rinocerontes, y el osteodermo de armadillos. La única otra materia biológica conocida que se aproxima a la dureza del tejido queratinizado es la quitina . La queratina se presenta en dos tipos, las formas primitivas y más suaves que se encuentran en todos los vertebrados y las formas derivadas más duras que se encuentran solo entre los saurópsidos (reptiles y aves). La queratina resiste la digestión, razón por la cual los gatos regurgitan las bolas de pelo .

La seda de araña se clasifica como queratina, aunque la producción de la proteína puede haber evolucionado independientemente del proceso en los vertebrados.

Ejemplos de ocurrencia

Los cuernos del impala están hechos de queratina que cubre un núcleo de hueso .

Las α-queratinas se encuentran en todos los vertebrados. Forman el pelo (incluida la lana ), la capa exterior de la piel , los cuernos , las uñas , las garras y las pezuñas de los mamíferos y los hilos de limo de los mixinos . Los filamentos de queratina abundan en los queratinocitos de lacapa córnea de la epidermis ; estas son proteínas que se han sometido a queratinización . También están presentes en las células epiteliales en general. Por ejemplo, las células epiteliales tímicas de ratón reaccionan con anticuerpos para queratina 5, queratina 8 y queratina 14. Estos anticuerpos se utilizan como marcadores fluorescentes para distinguir subconjuntos decélulas epiteliales tímicas de ratónen estudios genéticos del timo .

Las β-queratinas más duras se encuentran solo en los saurópsidos , es decir, todos los reptiles y aves vivos . Se encuentran en las uñas, las escalas , y las garras de los reptiles , en algunos reptiles conchas ( testudines , como la tortuga , tortuga , tortuga acuática ), y en las plumas , picos y garras de las aves . Estas queratinas se forman principalmente en láminas beta . Sin embargo, las láminas beta también se encuentran en α-queratinas. Las barbas placas de filtradores ballenas están hechas de queratina. Estudios recientes han demostrado que las β-queratinas saurópsidas son fundamentalmente diferentes de las αα-queratinas a nivel genético y estructural. Se ha propuesto el nuevo término proteína beta córnea (CBP) para evitar confusiones con α-queratinas.

Las queratinas (también descritas como citoqueratinas ) son polímeros de filamentos intermedios de tipo I y tipo II que se han encontrado solo en cordados ( vertebrados , anfioxos , urocordados ). Los nematodos y muchos otros animales no cordados parecen tener solo filamentos intermedios de tipo VI , fibras que estructuran el núcleo .

Genes

Las queratinas neutrales-básicas están codificadas en el cromosoma 12 (12q13.13).
Las queratinas ácidas están codificadas en el cromosoma 17 (17q21.2).

El genoma humano codifica 54 genes de queratina funcionales , ubicados en dos grupos en los cromosomas 12 y 17. Esto sugiere que se originaron a partir de una serie de duplicaciones de genes en estos cromosomas.

Las queratinas incluyen las siguientes proteínas de que 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 y KRT86 se han utilizado para describir queratinas después de 20.

Alineación de la secuencia de proteínas de la queratina humana 1, 2A, 3, 4, 5, 6A, 7 y 8 (KRT1 - KRT8). Solo se muestra arriba el primer dominio de varillas. La alineación se creó utilizando Clustal Omega .

Estructura proteica

Las primeras secuencias de queratinas fueron determinadas por Israel Hanukoglu y Elaine Fuchs (1982, 1983). Estas secuencias revelaron que hay dos familias de queratinas distintas pero homólogas, que se denominaron queratinas de tipo I y de tipo II. Mediante el análisis de las estructuras primarias de estas queratinas y otras proteínas de filamentos intermedios, Hanukoglu y Fuchs sugirieron un modelo en el que las queratinas y las proteínas de filamentos intermedios contienen un dominio central de ~ 310 residuos con cuatro segmentos en conformación α-helicoidal que están separados por tres conectores cortos. segmentos que se predice que están en conformación beta-turn. Este modelo ha sido confirmado por la determinación de la estructura cristalina de un dominio helicoidal de queratinas.

Queratina (de alto peso molecular) en las células del conducto biliar y en las células ovaladas del hígado de caballo .

Las moléculas de queratina fibrosa se superenrollan para formar un motivo superhelical zurdo muy estable para multimerizar, formando filamentos que consisten en múltiples copias del monómero de queratina .

La fuerza principal que mantiene la estructura en espiral son las interacciones hidrofóbicas entre los residuos apolares a lo largo de los segmentos helicoidales de las queratinas.

El espacio interior limitado es la razón por la cual la triple hélice del colágeno de la proteína estructural (no relacionada) , que se encuentra en la piel , el cartílago y los huesos , también tiene un alto porcentaje de glicina . La elastina, la proteína del tejido conectivo, también tiene un alto porcentaje de glicina y alanina . La fibroína de seda , considerada una β-queratina, puede tener estos dos como 75 a 80% del total, con 10 a 15% de serina , y el resto tiene grupos laterales voluminosos. Las cadenas son antiparalelas, con una orientación alterna C → N. Una preponderancia de aminoácidos con pequeños grupos laterales no reactivos es característica de las proteínas estructurales, para las cuales el empaquetamiento estrecho unido a H es más importante que la especificidad química .

Puentes disulfuro

Además de los enlaces de hidrógeno intra e intermoleculares , la característica distintiva de las queratinas es la presencia de grandes cantidades del aminoácido cisteína que contiene azufre , necesario para los puentes disulfuro que confieren resistencia y rigidez adicionales por reticulación permanente y térmicamente estable, en gran parte de la misma manera que los puentes de azufre no proteicos estabilizan el caucho vulcanizado . El cabello humano contiene aproximadamente un 14% de cisteína. Los olores penetrantes del cabello y la piel quemados se deben a los compuestos de azufre volátiles que se forman. Los enlaces disulfuro extensos contribuyen a la insolubilidad de las queratinas, excepto en una pequeña cantidad de disolventes, como agentes disociantes o reductores .

Las queratinas más flexibles y elásticas del cabello tienen menos puentes de disulfuro entre cadenas que las queratinas de las uñas , cascos y garras de los mamíferos (estructuras homólogas), que son más duras y más parecidas a sus análogos en otras clases de vertebrados. El cabello y otras α-queratinas consisten en hebras de proteína únicas enrolladas α-helicoidalmente (con enlaces H intracatenarios regulares ), que luego se retuercen en cuerdas superhelicales que pueden enrollarse más. Las β-queratinas de reptiles y aves tienen láminas β-plisadas retorcidas, luego estabilizadas y endurecidas por puentes de disulfuro.

Formación de filamentos

Se ha propuesto que las queratinas se pueden dividir en formas "duras" y "blandas", o " citoqueratinas " y "otras queratinas". Ahora se entiende que ese modelo es correcto. Una nueva adición nuclear en 2006 para describir las queratinas tiene esto en cuenta.

Los filamentos de queratina son filamentos intermedios . Como todos los filamentos intermedios, las proteínas de la queratina forman polímeros filamentosos en una serie de pasos de ensamblaje que comienzan con la dimerización; los dímeros se ensamblan en tetrámeros y octámeros y, eventualmente, si la hipótesis actual se mantiene, en filamentos de longitud unitaria (ULF) capaces de recocerse de un extremo a otro en filamentos largos.

Emparejamiento

A (neutro-básico) B (ácido) Ocurrencia
queratina 1 , queratina 2 queratina 9 , queratina 10 estrato córneo , queratinocitos
queratina 3 queratina 12 córnea
queratina 4 queratina 13 epitelio estratificado
queratina 5 queratina 14 , queratina 15 epitelio estratificado
queratina 6 queratina 16 , queratina 17 epitelio escamoso
queratina 7 queratina 19 epitelio ductal
queratina 8 queratina 18 , queratina 20 epitelio simple

Cornificación

La cornificación es el proceso de formación de una barrera epidérmica en tejido epitelial escamoso estratificado. A nivel celular, la cornificación se caracteriza por:

  • producción de queratina
  • producción de proteínas pequeñas ricas en prolina (SPRR) y transglutaminasa que eventualmente forman una envoltura celular cornificada debajo de la membrana plasmática
  • diferenciación terminal
  • pérdida de núcleos y orgánulos, en las etapas finales de cornificación

El metabolismo cesa y las células están casi completamente llenas de queratina. Durante el proceso de diferenciación epitelial, las células se cornifican a medida que la proteína de queratina se incorpora en filamentos intermedios de queratina más largos. Finalmente, el núcleo y los orgánulos citoplasmáticos desaparecen, el metabolismo cesa y las células sufren una muerte programada a medida que se queratinizan por completo. En muchos otros tipos de células, como las células de la dermis, los filamentos de queratina y otros filamentos intermedios funcionan como parte del citoesqueleto para estabilizar mecánicamente la célula frente al estrés físico. Lo hace a través de conexiones a desmosomas, placas de unión célula-célula y hemidesmosomas, estructuras adhesivas de la membrana basal de la célula.

Las células de la epidermis contienen una matriz estructural de queratina, que hace que esta capa más externa de la piel sea casi impermeable y, junto con el colágeno y la elastina, le da fuerza a la piel. El roce y la presión provocan el engrosamiento de la capa exterior cornificada de la epidermis y forman callos protectores, que son útiles para los atletas y en las yemas de los dedos de los músicos que tocan instrumentos de cuerda. Las células epidérmicas queratinizadas se eliminan y reemplazan constantemente.

Estas estructuras tegumentarias duras están formadas por cementación intercelular de fibras formadas a partir de células cornificadas muertas generadas por lechos especializados en las profundidades de la piel. El cabello crece continuamente y las plumas se mudan y se regeneran. Las proteínas constituyentes pueden ser filogenéticamente homólogas pero difieren algo en la estructura química y la organización supermolecular. Las relaciones evolutivas son complejas y solo se conocen parcialmente. Se han identificado múltiples genes para las queratinas β en las plumas, y esto probablemente sea característico de todas las queratinas.

Seda

Las fibroínas de seda producidas por insectos y arañas a menudo se clasifican como queratinas, aunque no está claro si están relacionadas filogenéticamente con las queratinas de vertebrados.

La seda que se encuentra en las pupas de insectos , y en las telas de araña y las envolturas de los huevos, también tiene láminas retorcidas con pliegues β incorporadas en fibras enrolladas en agregados supermoleculares más grandes. La estructura de las hileras en las colas de las arañas y las contribuciones de sus glándulas interiores proporcionan un control notable de la extrusión rápida . La seda de araña tiene típicamente alrededor de 1 a 2 micrómetros (µm) de espesor, comparado con alrededor de 60 µm para el cabello humano, y más para algunos mamíferos. Las propiedades biológica y comercialmente útiles de las fibras de seda dependen de la organización de múltiples cadenas de proteínas adyacentes en regiones cristalinas duras de tamaño variable, alternando con regiones amorfas flexibles donde las cadenas se enrollan aleatoriamente . Una situación algo análoga ocurre con polímeros sintéticos como el nailon , desarrollado como sustituto de la seda. La seda del capullo de avispas contiene dobletes de aproximadamente 10 µm de ancho, con núcleos y revestimiento, y puede disponerse en hasta 10 capas, también en placas de forma variable. Los avispones adultos también usan la seda como pegamento , al igual que las arañas.

Significación clínica

Algunos hongos infecciosos , como los que causan el pie de atleta y la tiña (es decir, los dermatofitos ) se alimentan de queratina.

Las enfermedades causadas por mutaciones en los genes de la queratina incluyen:

La expresión de queratina es útil para determinar el origen epitelial en cánceres anaplásicos . Los tumores que expresan queratina incluyen carcinomas , timomas , sarcomas y neoplasias trofoblásticas . Además, el patrón de expresión preciso de los subtipos de queratina permite predecir el origen del tumor primario al evaluar las metástasis . Por ejemplo, los carcinomas hepatocelulares expresan típicamente CK8 y CK18, y los colangiocarcinomas expresan CK7, CK8 y CK18, mientras que las metástasis de carcinomas colorrectales expresan CK20, pero no CK7.

La queratina es muy resistente a los ácidos digestivos si se ingiere, como ocurre en el trastorno humano tricofagia . Así, los gatos (que se acicalan con la lengua) ingieren pelo con regularidad, lo que lleva a la formación gradual de una bola de pelo que puede vomitar. El síndrome de Rapunzel , una afección intestinal extremadamente rara pero potencialmente fatal en humanos, es causado por tricofagia.

Ver también

Referencias

enlaces externos