Keratinas: apibrėžimas, struktūra, savybės ir biologinė reikšmė

Keratinai yra pluoštinių baltymų grupė. Keratinas sudaro gyvūnų plaukus, ragus, nagus, kanopas, kriaukles, snapus ir plunksnas. Pavadinimas kilęs iš graikų kalbos žodžio keras, reiškiančio "ragas".

Keratinai yra kieti ir netirpūs. Jie sudaro ropliams, paukščiams, varliagyviams ir žinduoliams būdingas kietas, bet nemineralines struktūras. Panašiu biologiniu tvirtumu pasižymi ir chitinas.

Struktūra ir klasifikacija

Keratinai yra baltymų šeima, kurią sudaro skirtingi izoformų tipai: kietieji (hard) keratinai, aptinkami plunksnose, ragose, naguose ir plaukuose, bei minkštieji (soft) arba citokeratinai, būdingi epitelinėms ląstelėms. Dauguma keratinų formuoja intermediarinius filamentus — ilgas, plonas ir mechaniškai atsparias struktūras ląstelės citoskeleto dalyje.

Molekuliniu lygiu keratino monomerai sudaryti iš alfa spiralės (α-helical) regionų, kurie susisuka į dvigubą susuktą spiralę (coiled-coil) ir tarpusavyje poruojasi. Baltymo struktūrą stabilizuoja:

• disulfidinės jungtys tarp cisteino liekanų (S–S), kurios suteikia kietumą plaukams, nagams ir ragams;
• hidrofobiniai ir elektrostatiniai sąveikos, palaikantys filamentų organizaciją;
• keratino susijusios baltymų (KAP — keratin-associated proteins), kurios tarpusavyje jungia ir pakuoja keratininus pluoštus galutinei struktūrai formuoti.

Savybės

• Mechaninis atsparumas: keratinai pasižymi dideliu tempimo stipriu ir elastingumu; beta-keratinai (paukščiams, ropliams) ir kietieji keratinai yra itin kieti.
• Cheminis atsparumas ir netirpus: keratinai sunkiai tirpsta vandenyje ir daugelyje cheminių tirpiklių dėl tankių jungčių ir kryžminių ryšių.
• Termostabilumas: keratinai išlaiko struktūrą esant santykinai aukštai temperatūrai, tačiau aukšta temperatūra ir stiprūs oksidantai skaido disulfidines jungtis.
• Biologinis funkcionalumas: suminkštinami ar apdorojami keratinai naudojami kosmetikoje (pvz., plaukų procedūrose), medicinoje ir pramonėje.

Biologinė reikšmė

Keratinas atlieka kelias gyvybiškai svarbias funkcijas:

• Apsauga: sudaro mechaninį barjerą nuo fizinių pažeidimų, mikroorganizmų ir cheminių poveikių (oda, nagai, nagų plokštelės, plunksnos, snapai).
• Struktūrinė parama: plaukuose, kanopose, ragose ir pan. suteikia formą ir tvirtumą.
• Vandens barjeras ir izoliacija: odos ir plunksnų keratino sluoksniai padeda sumažinti drėgmės praradimą ir prisideda prie termoreguliacijos.
• Biomarkeriai: citokeratinai naudojami histologijoje ir imunohistochemijoje nustatyti audinių kilmei ir diagnozuoti tam tikrus navikus — epiteliniai navikai paprastai yra citokeratinų teigiami.

Sintezė ir metabolizmas

Keratinas yra sintezuojamas specializuotose ląstelėse — pavyzdžiui, epidermio ląstelėse (keratinocituose) arba plaukų folikulų ląstelėse. Processas, kai epitelinės ląstelės gamina keratiną ir virsta negyvais, sutankėjusiais keratino užpildytais sluoksniais, vadinamas keratinizacija arba cornifikacija. Keratino sintezę reguliuoja genų šeima KRT (pvz., KRT5, KRT14, KRT6A, KRT16 ir kt.), kurių mutacijos gali sukelti paveldimas odos ar nagų ligas.

Medicininė reikšmė ir ligos

• Genetinės ligos: mutacijos keratino genuose gali sukelti tokias ligas kaip epidermolysis bullosa simplex (susijusi su KRT5/KRT14) ar pachyonychia congenita (KRT6A, KRT16 ir kt.).
• Odai būdingi sutrikimai: keratino perprodukcija ar netinkamas sukimbiavimas gali lemti ragėjimą (hyperkeratozę), žvynelinę (psoriazė) ar ichthyosis tipų sutrikimus.
• Diagnostika: citokeratinai yra plačiai naudojami patologijoje kaip audinių kilmės žymenys, padedantys atskirti epitelinius navikus nuo mezenchiminių.

Ekologija, degradacija ir pramoninis panaudojimas

Keratinas yra natūraliai atsparus degradacijai; tačiau tam tikri mikroorganizmai (bakterijos ir grybai), gaminantys keratinazes, gali skaidyti keratiną ir panaudoti jį maistui. Tai ypač svarbu sprendžiant paukščių plunksnų ar gyvulinės kilmės atliekų (pvz., plunksnų, ragų) perdirbimo problemas.

Pramonėje ir kasdieniniame naudojime keratinai ir jų dariniai naudojami:

• kosmetikoje ir plaukų priežiūros priemonėse (keratino procedūros, baltyminiai kondicionieriai);
• medicininėse priemonėse (rando dangos, biologiškai skaidžios plėvelės, hemostatinės medžiagos);
• maisto ir trąšų pramonėje, kai perdirbamos gyvulinės atliekos;
• moksliniuose tyrimuose kaip modelis studijuojant ląstelių mechaniką ir baltymų savybes.

Evoliucija ir genomika

Keratininiai genai sudaro dideles šeimas daugelyje gyvūnų grupių. Skirtingos izoformos atsirado evoliucijos eigoje pritaikant audinius specifinėms funkcijoms (pvz., plunksnos ir snapai paukščiams, ragai ir kanopos žinduoliams). Citokeratinų rodmenys ir paskirstymas audiniuose naudojami nagrinėjant vystymosi ir diferenciacijos mechanizmus.

Apibendrinant, keratinai yra universali ir evoliuciškai svarbi baltymų grupė, suteikianti mechaninį atsparumą ir apsaugą daugelio gyvūnų audiniams. Jų unikalios fizikinės ir cheminės savybės lemia tiek biologinę reikšmę, tiek plačias pritaikymo galimybes moksle, medicinoje ir pramonėje.

Paieška pagal raidę