Keratin

Keratin (još i: rožnata supstanca, skleroprotein, citokeratin) je bjelančevina (strukturni protein) koja je odgovorna za stabilnost i oblik stanice.

Određene podgrupe ovog proteina (tzv. trihocitični keratini) su glavni sastojak kose i dlake sisavaca, ljusaka kod gmazova, perja, noktiju, kandži, rogova, usi kod kitova usana.

Mikroskopija keratinskih niti unutar stanica

Uvod

Keratin je skupina netopljivih citoskeletnih proteina koji pružaju strukturnu potporu epitelnim stanicama te djeluju kao važni markeri stanične diferencijacije. U jednostavnom epitelu, keratini su manje kompleksni, dok se u slojevitom epitelu javljaju u većoj raznolikosti i gustoći, pružajući dodatnu čvrstoću i otpornost.^[1]

Klasifikacija

Alfa-keratin (α-keratin) je specifična vrsta keratina koja čini ključan strukturni materijal u različitim dijelovima tijela kod kralježnjaka, uključujući kosu, nokte, perje, rogove, kandže, kopita te epidermu. Beta-keratin (β-keratin) je član obitelji strukturnih proteina koji se nalazi u epidermisu gmazova i ptica. Obje vrste se nalaze u stratum corneum-u no alfa-keratini su bogati alfa-spiralama dok su beta-keratini bogati beta-pločama.

Povijest

Nakon 1970-ih, istraživanja keratina proširila su se na proučavanje različitih oblika gela i filmova iz keratinskih otopina.^[2] Prvi rad o keratinskim biomaterijalima opisuje uspješan implantat vaskularnog grafta obloženog keratinskim derivatom u modelu velike životinje tijekom 200 dana. Od tada, keratini se primjenjuju u širokom spektru in vitro i prekliničkih modela, uključujući zacjeljivanje rana, regeneraciju kostiju,^[3] i popravak perifernih živaca.^[4]

Građa

Keratini su intermedijarni filamenti promjera 10-12 nm koji zajedno s mikrofilamentima i mikrotubulima čine citoskelet ljudskih stanica.^[5] Oni se sastoje od obligatnih heterodimera koji se sastoje od keratina tipa I (kiseli) i tipa II (neutralni ili bazični) te se slažu u tetramere koji polimeriziraju da bi formirali protofilamente od 2 do 3 nm.^[6] Daljnja polimerizacija protofilamenta čini međusobno isprepletene protofibrile potpunih intermedijarnih filamenata. Keratin sadrži N-terminalnu domenu, zaduženu za regulaciju rasporeda filamenata i interakcije s ostalim staničnim komponentama. Također sadrži i C-terminalnu domenu koja igra uloge u interakcijama između intermedijarnih filamenata i post-translacijskim modifikacijama.

Lokacija

Keratini su glavna komponenta epitelnog citoskeleta. Različiti tipovi keratina nalaze se u različitim slojevima epidermisa, a iznimno su bitni u vanjskom sloju kože (stratum corneum), gdje mrtve keratizirane stanice čine kožnu barijeru. Kod interfolikularnog epidermisa, KRT14-KRT15 je glavni ekspresionirani tip I-tip II keratin, dok je u suprabazalnim slojevima glavni keratinski par KRT10-KRT1.^[7] Osim toga, keratini oblažu vanjštinu organa i žlijezda, te su glavna komponenta tvorevina kao što su nokti i kosa.

Funkcija

Strukturna potpora

Glavna uloga keratina je strukturna potpora i stanična adhezija pomoću kojih se održava pravilna mehanička čvrstoća i elastičnost epitelnih slojeva. Keratin je povezan s desmosomalnim i hemidesmosomalnim proteinima te tvori keratinoznu mrežu kroz cijeli citosol stanice.^[8] Uz stukturnu ulogu također služi za održavanje pravilne količine vode te tvori funkcionalnu barijeru za zaštitu od mehaničkog stresa.

Utjecaj na imunosni sustav

Keratinski intermedijarni filamenti povezani su s aktivacijom primitivnog urođenog imunosnog sustava, što se očitava kroz djelomična otvaranja čvrtih spojnica, smanjenje barijerne funkcije, sekreciju anti-bakterijskih proteina te nakupljanje makrofaga i drugih bitnih citokina imunosnog sustava. Promjene u ekspresiji citokina također su u asocijaciji s gubitkom ekspresije citokina ili keratinskim mutacijama koje su povezane s određenim bolestima. Uz manjak keratina, događa se promjena u transkriptomu keratinocita pa tako određene keratinske deficijencije mogu oponašati gensku ekspresiju određenih bolesti. Na primjer, deficijencija K1 keratina dovodi do ekspresije genskog obrasca koji uvjetuje stvaranje psorijaze i ekcema.^[9]

Keratin i stanična apoptoza

Keratin ima tkivno specifičnu ulogu u borbi protiv apoptoze kod jetre, posteljice i kožnog epitelija. Kod keratinskog deficijenta dolazi do srednjogestacijskog mortaliteta zbog apoptoze u trofoblastu.^[9] Ova karakteristika bitna je u istraživanjima utjecaja spojeva koji induciraju fibrozu na jetru kod miševa koji imaju keratinski deficijent ili mutaciju u keratinskim tipovima.

Post-translacijske modifikacije

Fosforilacija keratina

Fosforilacija keratina inducira topljivost, održavajući ravnotežu između nitastih i topljivih keratina koja je iznimno bitna za očuvanje gipkosti citoskeleta. Keratin se ponaša kao „fosfatna spužva“, a kofaktori u procesu fosforilacije su regulacijski proteini 14-3-3. Fosforilacija keratina aktivno dopridonosi mehanizmu obrane od različitih tipova stresa, a ima i bitan utjecaj u borbi protiv nastanka određenih bolesti i tumora.^[10]

Keratin kod ljudi

Kod ljudi, poznato je 54 vrste keratina koje su izražene u određenim parovima ovisno o diferencijaciji tipa tkiva. Primjerice, primarni keratini kao što su K8/K18 u jednostavnim epitelnim tkivima i K5/K14 u slojevitim epitelnim tkivima redovito se sintetiziraju od strane epitelnih stanica.^[11] Sekundarni keratini, poput K7/K19 u jednostavnim epitelnim tkivima ili K15 i K6/K16 u slojevitim epitelnim tkivima, mogu se također proizvoditi uz ili umjesto primarnih keratina. Ova raznolikost keratina izražena je u različitim epitelnim tkivima i vrstama, što ukazuje na njihovu sposobnost prilagodbe strukturnim zahtjevima različitih tkiva u tijelu.

Ekstrakcija keratina iz tkiva obično uključuje uporabu redukcijskih agenasa poput tioglikolata, ditiotretiola ili merkaptoetanola, koji razbijaju disulfidne veze.^[11] Produkt korištenja redukcijskog sredstva je protein koji sadrži cistein te se naziva „keratein“.^[2] Ukoliko se koristi oksidacijsko sredstvo (npr. vodikov peroksid),^[12] derivati cisteinske kiseline se nazivaju „keratoze“. Najčešće korištene tehnike za analiziranje keratina uključuju SDS-PAGE,^[13] masenu spektrometriju,^[14] rendgensku difrakciju^[15] i kristalografiju te infracrvenu spektroskopiju s fourierovom transformacijom.^[16]

Bolesti

Mutacije gena za keratine povezane su s nekoliko kožnih bolesti te poremećaja kose i sluznice. Kožni poremećaji uključuju buloznu epidermolizu, palmoplantarno keratodermu, epidermolitičku ihtiozu i pachyonychia congenita.^[5] Ove bolesti rezultat su strukturne nestabilnosti epitelnih stanica. Mutacije u trihocitnim keratinima, keratinima koji se izražavaju u stanicama epidermalnih dodataka kao što su kosa, nokti i koža, dovode do bolesti poput monilethrixa i ektodermalne displazije. Osim toga, keratini igraju ključnu ulogu u karcinogenezi, gdje abnormalnosti i mutacije u genima mogu doprinijeti razvoju kožnih karcinoma narušavanjem normalne strukture i funkcije epitelnih stanica.

Izvori

↑ Bragulla, Hermann H.; Homberger, Dominique G. Travanj 2009. Structure and functions of keratin proteins in simple, stratified, keratinized and cornified epithelia. Journal of Anatomy (engleski). 214 (4): 516–559. doi:10.1111/j.1469-7580.2009.01066.x. ISSN 0021-8782. PMC 2736122. PMID 19422428CS1 održavanje: format PMC-a (link)
↑ ^a ^b Hill, Paulina; Brantley, Helen; Van Dyke, Mark. Veljača 2010. Some properties of keratin biomaterials: Kerateines. Biomaterials (engleski). 31 (4): 585–593. doi:10.1016/j.biomaterials.2009.09.076
↑ Tachibana, Akira; Kaneko, Sumika; Tanabe, Toshizumi; Yamauchi, Kiyoshi. Siječanj 2005. Rapid fabrication of keratin–hydroxyapatite hybrid sponges toward osteoblast cultivation and differentiation. Biomaterials (engleski). 26 (3): 297–302. doi:10.1016/j.biomaterials.2004.02.032
↑ Apel, Peter J.; Garrett, Jeffrey P.; Sierpinski, Paulina; Ma, Jianjun; Atala, Anthony; Smith, Thomas L.; Koman, L. Andrew; Van Dyke, Mark E. Studeni 2008. Peripheral nerve regeneration using a keratin-based scaffold: long-term functional and histological outcomes in a mouse model. The Journal of Hand Surgery. 33 (9): 1541–1547. doi:10.1016/j.jhsa.2008.05.034. ISSN 1531-6564. PMID 18984336
↑ ^a ^b Knöbel, Maria; O'Toole, Edel A.; Smith, Frances J. D. Lipanj 2015. Keratins and skin disease. Cell and Tissue Research. 360 (3): 583–589. doi:10.1007/s00441-014-2105-4. ISSN 1432-0878. PMID 25620412
↑ Rouse, Jillian G.; Van Dyke, Mark E. Veljača 2010. A Review of Keratin-Based Biomaterials for Biomedical Applications. Materials (engleski). 3 (2): 999–1014. doi:10.3390/ma3020999. ISSN 1996-1944
↑ Zhang, Xiaowei; Yin, Meimei; Zhang, Ling-Juan. 1. kolovoza 2019. Keratin 6, 16 and 17-Critical Barrier Alarmin Molecules in Skin Wounds and Psoriasis. Cells. 8 (8): 807. doi:10.3390/cells8080807. ISSN 2073-4409. PMC 6721482. PMID 31374826
↑ Kim, Hyun Ji; Choi, Won Jun; Lee, Chang Hoon. 31. srpnja 2015. Phosphorylation and Reorganization of Keratin Networks: Implications for Carcinogenesis and Epithelial Mesenchymal Transition. Biomolecules & Therapeutics (engleski). 23 (4): 301–312. doi:10.4062/biomolther.2015.032. ISSN 2005-4483
↑ ^a ^b Salas, Pedro J.; Forteza, Radia; Mashukova, Anastasia. 2. srpnja 2016. Multiple roles for keratin intermediate filaments in the regulation of epithelial barrier function and apico-basal polarity. Tissue Barriers (engleski). 4 (3): e1178368. doi:10.1080/21688370.2016.1178368. ISSN 2168-8370. PMC 4993576. PMID 27583190CS1 održavanje: format PMC-a (link)
↑ Sawant, M. S.; Leube, R. E. 1. siječnja 2017. Galluzzi, Lorenzo (ur.). Chapter Five - Consequences of Keratin Phosphorylation for Cytoskeletal Organization and Epithelial Functions. 330. Academic Press. str. 171–225. doi:10.1016/bs.ircmb.2016.09.005
↑ ^a ^b Bragulla, Hermann H.; Homberger, Dominique G. Travanj 2009. Structure and functions of keratin proteins in simple, stratified, keratinized and cornified epithelia. Journal of Anatomy (engleski). 214 (4): 516–559. doi:10.1111/j.1469-7580.2009.01066.x. ISSN 0021-8782
↑ Perța-Crișan, Simona; Ursachi, Claudiu Ștefan; Gavrilaș, Simona; Oancea, Florin; Munteanu, Florentina-Daniela. 7. lipnja 2021. Closing the Loop with Keratin-Rich Fibrous Materials. Polymers (engleski). 13 (11): 1896. doi:10.3390/polym13111896. ISSN 2073-4360. PMC PMC8201023 Provjerite vrijednost parametra |pmc= (pomoć). PMID 34200460 Provjerite vrijednost parametra |pmid= (pomoć)CS1 održavanje: format PMC-a (link)
↑ Mohamed, Jamal Moideen Muthu; Alqahtani, Ali; Al Fatease, Adel; Alqahtani, Taha; Khan, Barkat Ali; Ashmitha, B.; Vijaya, R. 9. kolovoza 2021. Human Hair Keratin Composite Scaffold: Characterisation and Biocompatibility Study on NIH 3T3 Fibroblast Cells. Pharmaceuticals (engleski). 14 (8): 781. doi:10.3390/ph14080781. ISSN 1424-8247
↑ Deb-Choudhury, Santanu; Plowman, Jeffrey E.; Harland, Duane P. 2016. Isolation and Analysis of Keratins and Keratin-Associated Proteins from Hair and Wool (engleski). 568. Elsevier. str. 279–301. doi:10.1016/bs.mie.2015.07.018. Provjerite vrijednost parametra |doi= (pomoć). ISBN 978-0-12-803470-5
↑ Hatta, Ichiro. 30. kolovoza 2022. Stratum Corneum Structure and Function Studied by X-ray Diffraction. Dermato (engleski). 2 (3): 79–108. doi:10.3390/dermato2030009. ISSN 2673-6179
↑ Windt, Xinhua; Scott, Elinor L.; Seeger, Thorsten; Schneider, Oliver; Asadi Tashvigh, Akbar; Bitter, Johannes H. 8. studenoga 2022. Fourier Transform Infrared Spectroscopy for Assessing Structural and Enzymatic Reactivity Changes Induced during Feather Hydrolysis. ACS Omega (engleski). 7 (44): 39924–39930. doi:10.1021/acsomega.2c04216. ISSN 2470-1343. PMC PMC9648064 Provjerite vrijednost parametra |pmc= (pomoć). PMID 36385893 Provjerite vrijednost parametra |pmid= (pomoć)CS1 održavanje: format PMC-a (link)

Nedovršeni članak Keratin koji govori o biologiji treba dopuniti. Dopunite ga prema pravilima Wikipedije.

[1] Bragulla, Hermann H.; Homberger, Dominique G. Travanj 2009. Structure and functions of keratin proteins in simple, stratified, keratinized and cornified epithelia. Journal of Anatomy (engleski). 214 (4): 516–559. doi:10.1111/j.1469-7580.2009.01066.x. ISSN 0021-8782. PMC 2736122. PMID 19422428CS1 održavanje: format PMC-a (link)

[:0-2] Hill, Paulina; Brantley, Helen; Van Dyke, Mark. Veljača 2010. Some properties of keratin biomaterials: Kerateines. Biomaterials (engleski). 31 (4): 585–593. doi:10.1016/j.biomaterials.2009.09.076

[3] Tachibana, Akira; Kaneko, Sumika; Tanabe, Toshizumi; Yamauchi, Kiyoshi. Siječanj 2005. Rapid fabrication of keratin–hydroxyapatite hybrid sponges toward osteoblast cultivation and differentiation. Biomaterials (engleski). 26 (3): 297–302. doi:10.1016/j.biomaterials.2004.02.032

[4] Apel, Peter J.; Garrett, Jeffrey P.; Sierpinski, Paulina; Ma, Jianjun; Atala, Anthony; Smith, Thomas L.; Koman, L. Andrew; Van Dyke, Mark E. Studeni 2008. Peripheral nerve regeneration using a keratin-based scaffold: long-term functional and histological outcomes in a mouse model. The Journal of Hand Surgery. 33 (9): 1541–1547. doi:10.1016/j.jhsa.2008.05.034. ISSN 1531-6564. PMID 18984336

[:1-5] Knöbel, Maria; O'Toole, Edel A.; Smith, Frances J. D. Lipanj 2015. Keratins and skin disease. Cell and Tissue Research. 360 (3): 583–589. doi:10.1007/s00441-014-2105-4. ISSN 1432-0878. PMID 25620412

[6] Rouse, Jillian G.; Van Dyke, Mark E. Veljača 2010. A Review of Keratin-Based Biomaterials for Biomedical Applications. Materials (engleski). 3 (2): 999–1014. doi:10.3390/ma3020999. ISSN 1996-1944

[7] Zhang, Xiaowei; Yin, Meimei; Zhang, Ling-Juan. 1. kolovoza 2019. Keratin 6, 16 and 17-Critical Barrier Alarmin Molecules in Skin Wounds and Psoriasis. Cells. 8 (8): 807. doi:10.3390/cells8080807. ISSN 2073-4409. PMC 6721482. PMID 31374826

[8] Kim, Hyun Ji; Choi, Won Jun; Lee, Chang Hoon. 31. srpnja 2015. Phosphorylation and Reorganization of Keratin Networks: Implications for Carcinogenesis and Epithelial Mesenchymal Transition. Biomolecules & Therapeutics (engleski). 23 (4): 301–312. doi:10.4062/biomolther.2015.032. ISSN 2005-4483

[:2-9] Salas, Pedro J.; Forteza, Radia; Mashukova, Anastasia. 2. srpnja 2016. Multiple roles for keratin intermediate filaments in the regulation of epithelial barrier function and apico-basal polarity. Tissue Barriers (engleski). 4 (3): e1178368. doi:10.1080/21688370.2016.1178368. ISSN 2168-8370. PMC 4993576. PMID 27583190CS1 održavanje: format PMC-a (link)

[10] Sawant, M. S.; Leube, R. E. 1. siječnja 2017. Galluzzi, Lorenzo (ur.). Chapter Five - Consequences of Keratin Phosphorylation for Cytoskeletal Organization and Epithelial Functions. 330. Academic Press. str. 171–225. doi:10.1016/bs.ircmb.2016.09.005

[:3-11] Bragulla, Hermann H.; Homberger, Dominique G. Travanj 2009. Structure and functions of keratin proteins in simple, stratified, keratinized and cornified epithelia. Journal of Anatomy (engleski). 214 (4): 516–559. doi:10.1111/j.1469-7580.2009.01066.x. ISSN 0021-8782

[12] Perța-Crișan, Simona; Ursachi, Claudiu Ștefan; Gavrilaș, Simona; Oancea, Florin; Munteanu, Florentina-Daniela. 7. lipnja 2021. Closing the Loop with Keratin-Rich Fibrous Materials. Polymers (engleski). 13 (11): 1896. doi:10.3390/polym13111896. ISSN 2073-4360. PMC PMC8201023 Provjerite vrijednost parametra |pmc= (pomoć). PMID 34200460 Provjerite vrijednost parametra |pmid= (pomoć)CS1 održavanje: format PMC-a (link)

[13] Mohamed, Jamal Moideen Muthu; Alqahtani, Ali; Al Fatease, Adel; Alqahtani, Taha; Khan, Barkat Ali; Ashmitha, B.; Vijaya, R. 9. kolovoza 2021. Human Hair Keratin Composite Scaffold: Characterisation and Biocompatibility Study on NIH 3T3 Fibroblast Cells. Pharmaceuticals (engleski). 14 (8): 781. doi:10.3390/ph14080781. ISSN 1424-8247

[14] Deb-Choudhury, Santanu; Plowman, Jeffrey E.; Harland, Duane P. 2016. Isolation and Analysis of Keratins and Keratin-Associated Proteins from Hair and Wool (engleski). 568. Elsevier. str. 279–301. doi:10.1016/bs.mie.2015.07.018. Provjerite vrijednost parametra |doi= (pomoć). ISBN 978-0-12-803470-5

[15] Hatta, Ichiro. 30. kolovoza 2022. Stratum Corneum Structure and Function Studied by X-ray Diffraction. Dermato (engleski). 2 (3): 79–108. doi:10.3390/dermato2030009. ISSN 2673-6179

[16] Windt, Xinhua; Scott, Elinor L.; Seeger, Thorsten; Schneider, Oliver; Asadi Tashvigh, Akbar; Bitter, Johannes H. 8. studenoga 2022. Fourier Transform Infrared Spectroscopy for Assessing Structural and Enzymatic Reactivity Changes Induced during Feather Hydrolysis. ACS Omega (engleski). 7 (44): 39924–39930. doi:10.1021/acsomega.2c04216. ISSN 2470-1343. PMC PMC9648064 Provjerite vrijednost parametra |pmc= (pomoć). PMID 36385893 Provjerite vrijednost parametra |pmid= (pomoć)CS1 održavanje: format PMC-a (link)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]