Keratin - Wêreldensiklopedie - Ek wil alles weet - 2020
keratien is een van die familie van taai en onoplosbare veselagtige struktuurproteïene wat die belangrikste, harde, nie-gemineraliseerde struktuurkomponent van hare, wol, horings, spykers, kloue, hoewe en ander gewerwelde weefsel vorm, sowel as 'n deel van verskillende strukture van ongewerweldes. Keratiene word slegs met chitien as biologiese materiale gewikkel.
Keratiene is aanwesig in alle epiteelselle, beide die wat die buite-oppervlaktes van organismes bedek en op interne oppervlaktes, soos die voering van die spysverteringskanaal. Keratiene help die epiteelselle om hul verbonde integriteit te handhaaf, aangesien die keratiene tipies oor die volledige binnewydte van 'n sel strek en indirek met keratiene in aangrensende selle gekoppel word deur sel-tot-sel-verbindings wat desmosome genoem word. Die horing, hoewe, spykers, hare en ander harde, taai materiale op keratienbasis wat op diere groei, word geproduseer deur epiteelselle wat aangepas is om 'n oorvloed keratien te laat groei en dan as individuele selle te sterf, terwyl die keratien verlaat word om 'n struktuur te vorm wat waardevol is vir die hele dier.
Die kenmerkende taaiheid en veerkragtigheid van Keratin hang af van die aminosuursamestelling en volgorde en die spesifieke proteïenvou wat tot gevolg het. Die voorkoms van Keratien van die swawelbevattende aminosuur cysteïne met die vermoë om sterk kovalente chemiese bindings tussen swaelatome (disulfiedbrug) te vorm, help veral om sterkte en styfheid te bewerkstellig. Die ingewikkeldheid by net hierdie een soort proteïen is opvallend, en tog word dit gevorm deur 'n groot verskeidenheid lewende organismes.
Daar is verskillende soorte keratiene in 'n enkele dier. Keratien is nutteloos vir mense omdat dit nie deur verteringsensieme gehidroliseer word nie, maar dit kan as kunsmis gebruik word, en dit word stadig deur bakterieë afgebreek (Bender en Bender 2005).
Gebruike by diere
Keratiene is die belangrikste bestanddeel van strukture wat uit die vel van gewerwelde diere groei. Hierdie strukture sluit in:
Onder soogdiere is die hare (insluitend wol), horings, spykers, kloue, korings en hoewe, wat hoofsaaklik van α-keratins
Onder reptiele is die skubbe, kloue en in die cheloniërs, soos skilpad, skilpad, terrapien, die skulpe, wat hoofsaaklik van β-keratins
Onder voëls is die vere, bekke en kloue wat hoofsaaklik van gemaak is β-keratins
Die α-keratiene word hoofsaaklik gevorm as heliese vesels, terwyl die ß-keratiene hoofsaaklik in beta-velle gevorm word. Sommige beta-velle word ook in α-keratiene aangetref (Kreplak et al. 2004).
Byvoorbeeld, hare, 'n filamentagtige uitgroei van die vel wat slegs by soogdiere aangetref word, behels vesels wat nie-lewende selle bevat, waarvan die belangrikste bestanddeel die proteïenkeratien is, 'n lang ketting (polimeer) van aminosure wat natuurlik 'n a-heliksvesel vorm en daarna draai twee van die α-heliksvesels saam om 'n baie sterker 'opgerolde spoel'-vesel te vorm wat kenmerkend is van α-keratien. Die keratiniseerde selle ontstaan ​​uit seldeling in die haarmatriks aan die basis van 'n haarfollikel en is styf saamgepak.
Keratien (hoë molekulêre gewig) in galbuise sel en ovaal selle van die muis lewer
Keratiene vorm ook 'n belangrike deel van die selle in die tandemalje van soogdiere en die baleenplate van walvisse met filtervoeding. Alhoewel dit nou moeilik is om seker te wees, is die heersende siening onder paleontoloë dat die skubbe, kloue, bekke en 'n paar beskermende pantser van dinosourusse waarskynlik bestaan ​​uit 'n soort keratien. By Crossopterygian-visse was die buitenste laag kosmoidskale keratien.
Onder die ongewerwelde diere het geleedpotiges soos skaaldiere dikwels dele van hul pantser of uittreksel van keratien, soms in kombinasie met chitien, wat 'n harde, halftransparente polisakkaried is, wat die belangrikste bestanddeel van die skulpe van skaaldiere is, soos krappe, kreef, en garnale. By geleedpotiges word chitien egter gereeld verander deur ingebed te word in 'n verharde, proteïneuse matriks van keratien, wat 'n meer rigiede eksoskelet gee, as byvoorbeeld gesien word in die gebruik van chitien in die sagte, meer buigbare liggaamswand van 'n ruspes.
Keratiene kan ook geïntegreer word in die chitinofosfatiese materiaal wat die skil en setae (hare) in baie brachiopodes vorm. Keratiene word ook in die spysverteringskanale van baie diere aangetref, waaronder rondewurms (wat ook 'n buitenste laag van keratien het).
Molekulêre biologie en biochemie
Die eienskappe wat struktuurproteïene soos keratien bruikbaar maak, hang af van hul supermolekulêre aggregasie, dit wil sê hul proteïenpatroon (polipeptiedstring) -vou. Die eienskappe van kollektiewe proteïenstringe hang af van die eienskappe van die individuele polipeptiedstringe, wat op hul beurt afhang van hul aminosuursamestelling en volgorde. Die α-heliks- en β-velmotiewe, en die disulfied-brûe is sentraal tot die argitektuur en samevoeging van keratiene.
Sisteïen, 'n aminosuur met die funksionele tiolgroep -SH. Sistine, met 'n disulfiedbinding (-S-S-) wat by twee sistienreste verbind.
Keratiene bevat groot hoeveelhede van die swawelbevattende aminosuur cysteïne, wat gekenmerk word deur die tiolfunksionele groep, -SH, wat bestaan ​​uit 'n swaelatoom en 'n waterstofatoom. In die keratienpolymeer, wat oorspronklik buitengewoon buigsaam is, is die tiolgroepe geneig om saam te bind en vorm hulle deur oksidasie 'n kovalente swael-swael, dit wil sê disulfied, en bind die verlies van twee protone en twee elektrone. 'N Disulfiedbinding, ook 'n SS-binding of disulfiedbrug genoem, verkry 'n algehele verbinding wat deur C-S-S-C voorgestel word, waarin' C 'die volgende volgende koolstofatoom verteenwoordig en die res van die geassosieerde aminosuur. Formeel uitgedruk, as cysteïne geoksideer word, kan dit sistien vorm, wat twee cysteïenreste is (cys) wat verbind word deur 'n disulfiedbinding (cys-S-S-cys) tussen die -SH-groep.
Disulfide-brûe verleen ekstra sterkte en styfheid deur permanente, termies-stabiele kruisbinding - 'n rol wat swaelbrue ook in gevulkaniseerde rubber speel. Menslike hare is ongeveer 14 persent cysteïen. Die skerp reuke van brandende hare en rubber is te wyte aan die vorming van swaelverbindings. Ekstensiewe binding van disulfied dra by tot die onoplosbaarheid van keratiene, behalwe in dissosierende of reduseermiddels.
Die meer buigsame en elastiese keratiene van hare het minder tussenketting-disulfied-brûe as die keratiene in soogdiere se vingernaels, hoewe en kloue (homoloë strukture), wat moeiliker en meer soos hul analoë in ander gewerwelde klasse is. Hare en ander α-keratiene bestaan ​​uit α-helikaal-opgerolde enkelproteïne-stringe (met gereelde intra-ketting H-binding), wat dan verder saamgevleg word in superheliese of opgerolde spoele toue wat verder opgerol kan word. Die ß-keratiene van reptiele en voëls het ß-geplooide velle aanmekaar gedraai, en dan gestabiliseer en verhard deur disulfied-brûe.
Glycine en alanine
Die algemene struktuur van 'n aminosuurmolekule. Vir glisien, die eenvoudigste aminosuur, word R in die figuur vervang deur -H. Vir alanien word R vervang deur die metielgroep -CH3. Die aminogroep (-NH2) is aan die linkerkant en die karboksielgroep (-COOH) is aan die regterkant.
Keratiene bevat 'n groot deel van die kleinste van die 20 aminosure, glisien, waarvan die "newe-groep" 'n enkele waterstofatoom is. Dit bevat ook 'n groot deel van die volgende kleinste alanien, waarvan die funksionele sygroep die klein en nie-aangejaagde metielgroep is. In die geval van ß-velle laat hierdie groot hoeveelheid eenvoudige en neutrale sygroepe sterrestelsel-ongehinderde waterstofbinding tussen die amino- en karboksielgroepe van peptiedbindings op aangrensende proteïenkettings moontlik, wat die noue inlynstelling en sterk binding moontlik maak. Veselagtige keratienmolekules kan om mekaar draai om dubbelwond-spiraalvormige intermediêre filamente te vorm.
Die drievoudige heliks van die (onverwante) strukturele proteïen kollageen, gevind in vel, kraakbeen en been, het ook 'n hoë persentasie glisien, net soos die bindweefselproteïen elastien, wat ook 'n hoë persentasie alanien het. Spin syfibroïen, wat as 'n ß-keratien beskou word, kan glisien en alanien bevat as 75-80 persent van die totale aminosure, met 'n bykomende 10-15 persent serien, en die res aminosure met lywige sygroepe. Die kettings is antiparaal, met 'n afwisselende C → N-oriëntasie (Ophardt 2003). 'N Oorvloed van aminosure by klein, nie-reaktiewe sygroepe is kenmerkend van strukturele proteïene, waarvoor H-gebonde noue verpakking belangriker is as chemiese spesifisiteit.
By soogdiere is daar sagte epiteliale keratiene, die sitokeratiene en harder hare keratiene. Aangesien sekere velselle onderskei en gekornifiseer word, word pre-keratien polipeptiede in intermediêre filamente opgeneem. Uiteindelik verdwyn die kern en die sitoplasmiese organelle, die metabolisme stop en die selle ondergaan 'n geprogrammeerde dood namate hulle volledig keratiniseer.
Selle in die epidermis bevat 'n strukturele matriks van keratien, wat hierdie buitenste laag van die vel byna waterdig maak, en tesame met kollageen en elastien die vel sy krag gee. Vryf en druk veroorsaak dat keratien vermeerder met die vorming van beskermende calluses - nuttig vir atlete en op die vingers van musikante wat snaarinstrumente speel. Geraatineerde epidermale selle word voortdurend gestort en vervang (soos roos).
Hierdie harde, integumentêre strukture word gevorm deur middel van die sellulêre sementering van vesels wat uit die dood gevorm is, gekornifiseerde selle wat deur gespesialiseerde beddens diep in die vel gevorm word. Hare groei voortdurend en vere smelt en regenereer. Die samestellende proteïene kan filogeneties homoloë wees, maar verskil ietwat van chemiese struktuur en supermolekulêre organisasie. Die evolusionêre verhoudings is kompleks en slegs gedeeltelik bekend. Daar is verskeie gene geïdentifiseer vir die ß-keratiene in vere, en dit is waarskynlik kenmerkend van alle keratiene.
'N Ander voorbeeld van keratineerde selle is spykers. Volgens Levit en Boissy (2001) is die spykerplaat saamgestel uit "nou verpakte, volledig keratiniseerde, meervoudige gelaagde lamelle van gekornifiseerde selle" (Levit en Boissy 2001). In wese bevat selle in die epidermis 'n strukturele matriks van keratien.
Die spykermatrikselle onderskei en skep die spykerplaat deur plat te maak, te verbreed en deur kernfragmentering met 'n opeenhoping van sitoplasmiese mikrofibrille (Levit en Boissy 2001). Namate velselle gekornifiseerd raak, en die kern en sitoplasmiese organelle verdwyn en die metabolisme ophou, word die selle volledig keratiniseer. Harde strukture word gevorm deur middel van sellulêre sementering van vesels wat uit die dood, gekornifiseerde selle gevorm word. Die keratiene in die spykerplaat word vermoedelik op hul plek gehou deur bolvormige matriksproteïene met 'n hoë konsentrasie disulfiedbindings tussen sistien (eerder as d.m.v. kalsium, soos in bene), wat die rigiede struktuur skep (Levit en Boissy 2001).
Die sy-fibroins wat deur insekte en spinnekoppe vervaardig word, word dikwels as keratiene geklassifiseer, hoewel dit onduidelik is of dit filogeneties verwant is aan gewerwelde keratiene.
Sy wat in insekte, en in spinnekoppe en eieromhulsel gevind word, het ook gedraaide ß-geplooide velle wat in vesels ingewikkel is in groter supermolekulêre aggregate. Die struktuur van die spinnerette op die sterte van die spinnekoppe, en die bydraes van hul binnekliere, bied 'n merkwaardige beheer van vinnige ekstrudering. Spinnekop is tipies ongeveer 1 tot 2 mikrometer (µm) dik, in vergelyking met ongeveer 60 µm vir menslike hare, en meer vir sommige soogdiere. (Haar of pels kom slegs by soogdiere voor.) Die biologiese en kommersieel bruikbare eienskappe van syvesels is afhanklik van die organisasie van veelvuldige aangrensende proteïenkettings in harde, kristallyne streke van verskillende grootte, afwisselend met buigsame, amorfe streke waar die kettings lukraak is. opgerol (AMO 2002).
'N Ietwat soortgelyke situasie kom voor met sintetiese polimere soos nylon, wat ontwikkel is as 'n syvervanger. Sy van die horingkokon bevat dubbels van ongeveer 10 μm dwars, met kerne en deklaag, en kan in tot tien lae gerangskik word; ook in gedenkplate van veranderlike vorm. Volwasse horings gebruik ook sy as gom, net soos spinnekoppe.
Sommige aansteeklike swamme, soos dié wat atleet se voet, ringwurm en die amfibiese siekte chytridiomycosis veroorsaak (veroorsaak deur die chytride swam, Batrachochytrium dendrobatidis), voer op keratien.
Siektes wat veroorsaak word deur mutasies in die keratien-gene, sluit in:
Alhoewel keratien onoplosbaar is en nie maklik deur spysverteringsensieme gehidroliseer word nie (Bender en Bender 2005), kan dit gebruik word vir die bedekking van pille wat ontwerp is om in die ingewande te ontbind. 'N Aanvulling vir herkouers word ook van gestoomde veermeel gemaak (Bender en Bender 2005).
Australiese museum aanlyn. 2002. Spinnekoppe: Silkstruktuur. Australiese museum aanlyn. 23 Mei 2008 onttrek.
Bender, D. A., en A. E. Bender. 2005. 'N Woordeboek van voedsel en voeding. New York: Oxford University Press. ISBN 0198609612.
Kreplak, L. J. Doucet, P. Dumas, en F. Briki. 2004. Nuwe aspekte van die alfa-heliks na beta-vel oorgang in uitgerekte harde alfa-keratienvesels. Biophys J 87 (1): 640-7. Onthou 23 Mei 2008.
Levit, E. K., en R. E. Boissy, R. E. 2001. Hoofstuk 6. Basiese wetenskap van die spyker-eenheid. In R. K. Freinkel, en D. T. Woodley. Die biologie van die vel. New York: Parthenon Pub. Groep. ISBN 1850700060.