Keratin
Keratin (/ˈkɛrətɪn/), skleroproteinler olarak da bilinen yapısal fibröz protein ailesinden biridir. Alfa-keratin (α-keratin) omurgalılarda bulunan bir keratin türüdür. Omurgalılar arasında pulları, saçları, tırnakları, tüyleri, boynuzları, pençeleri, toynakları ve derinin dış tabakasını oluşturan temel yapısal malzemedir. Keratin ayrıca epitel hücrelerini hasar veya strese karşı korur. Keratin suda ve organik çözücülerde son derece çözünmezdir. Keratin monomerleri, sert olan ve sürüngenlerde, kuşlarda, amfibilerde ve memelilerde bulunan güçlü mineralize olmamış epidermal uzantıları oluşturan ara filamentleri oluşturmak için demetler halinde bir araya gelir. Aşırı keratinizasyon, sığır ve gergedanların boynuzlarında ve armadilloların osteoderminde olduğu gibi bazı dokuların güçlendirilmesine katılır. Keratinize dokunun sertliğine yaklaştığı bilinen diğer tek biyolojik madde kitindir. Keratin, tüm omurgalılarda bulunan ilkel, daha yumuşak formlar ve sadece sauropsidler (sürüngenler ve kuşlar) arasında bulunan daha sert, türetilmiş formlar olmak üzere iki tipte bulunur. ⓘ
Örümcek ipeği keratin olarak sınıflandırılır, ancak proteinin üretimi omurgalılardaki süreçten bağımsız olarak evrimleşmiş olabilir. ⓘ
.svg){kind=small} | Biyokimya ile ilgili bu madde taslak seviyesindedir. Madde içeriğini genişleterek Vikipedi'ye katkı sağlayabilirsiniz. ⓘ |
Oluşum örnekleri
Alfa-keratinler (α-keratinler) tüm omurgalılarda bulunur. Saçları (yün dahil), derinin dış tabakasını, boynuzları, tırnakları, pençeleri ve memelilerin toynaklarını ve hagfish'in slime ipliklerini oluştururlar. Keratin filamentleri epidermisin boynuzlaşmış tabakasındaki keratinositlerde bol miktarda bulunur; bunlar keratinizasyon geçirmiş proteinlerdir. Genel olarak epitel hücrelerinde de bulunurlar. Örneğin, fare timik epitel hücreleri keratin 5, keratin 8 ve keratin 14 için antikorlarla reaksiyona girer. Bu antikorlar, timusun genetik çalışmalarında fare timik epitel hücrelerinin alt kümelerini ayırt etmek için floresan belirteçler olarak kullanılır. ⓘ
Daha sert olan beta-keratinler (β-keratin) sadece sauropsidlerde, yani yaşayan tüm sürüngenlerde ve kuşlarda bulunur. Sürüngenlerin tırnaklarında, pullarında ve pençelerinde, bazı sürüngen kabuklarında (kaplumbağa, kaplumbağa, terrapin gibi testudinler) ve kuşların tüylerinde, gagalarında ve pençelerinde bulunurlar. Bu keratinler öncelikle beta tabakaları halinde oluşur. Bununla birlikte, beta tabakaları α-keratinlerde de bulunur. Süzerek beslenen balinaların balina plakaları keratinden yapılmıştır. Son araştırmalar, sauropsid β-keratinlerin genetik ve yapısal düzeyde α-keratinlerden temelde farklı olduğunu göstermiştir. Korneöz beta protein (CBP) terimi α-keratinlerle karıştırılmaması için önerilmiştir. ⓘ
Keratinler (sitokeratinler olarak da tanımlanır) sadece kordalılarda (omurgalılar, amfiyoksuslar, ürokordalılar) bulunan tip I ve tip II ara filament polimerleridir. Nematodlar ve diğer birçok kordalı olmayan hayvanın sadece çekirdeği yapılandıran lifler olan tip VI ara filamentlere sahip olduğu görülmektedir. ⓘ
Genler
İnsan genomu, 12. ve 17. kromozomlar üzerinde iki küme halinde bulunan 54 fonksiyonel keratin genini kodlar. Bu durum, bu kromozomlar üzerindeki bir dizi gen duplikasyonundan kaynaklandıklarını düşündürmektedir. ⓘ
Keratinler, KRT23, KRT24, KRT25, KRT26, KRT27, KRT28, KRT31, KRT32, KRT33A, KRT33B, KRT34, KRT35, KRT36, KRT37, KRT38, KRT39 olmak üzere aşağıdaki proteinleri içerir, KRT40, KRT71, KRT72, KRT73, KRT74, KRT75, KRT76, KRT77, KRT78, KRT79, KRT8, KRT80, KRT81, KRT82, KRT83, KRT84, KRT85 ve KRT86 geçmiş 20 keratini tanımlamak için kullanılmıştır. ⓘ
Protein yapısı
Keratinlerin ilk dizilimleri İsrail Hanukoğlu ve Elaine Fuchs (1982, 1983) tarafından belirlenmiştir. Bu dizilimler, tip I ve tip II keratinler olarak adlandırılan iki farklı ancak homolog keratin ailesi olduğunu ortaya koymuştur. Bu keratinlerin ve diğer ara filament proteinlerinin birincil yapılarının analizi ile Hanukoğlu ve Fuchs, keratinlerin ve ara filament proteinlerinin, beta-dönüş konformasyonunda olduğu tahmin edilen üç kısa bağlayıcı segmentle ayrılan α-helikal konformasyonunda dört segmente sahip merkezi ~310 kalıntı alanı içeren bir model önermiştir. Bu model, keratinlerin helikal bir alanının kristal yapısının belirlenmesiyle doğrulanmıştır. ⓘ
Lifli keratin molekülleri, keratin monomerinin birden fazla kopyasından oluşan filamentler oluşturarak multimerize olmak için çok kararlı, sol elli süper helikal bir motif oluşturmak üzere üst üste sarılır. ⓘ
Sarmal sarmal yapıyı koruyan ana güç, keratinlerin sarmal segmentleri boyunca apolar kalıntılar arasındaki hidrofobik etkileşimlerdir. ⓘ
Sınırlı iç alan, deri, kıkırdak ve kemikte bulunan (ilgisiz) yapısal protein kolajenin üçlü sarmalının da aynı şekilde yüksek oranda glisin içermesinin nedenidir. Bağ dokusu proteini elastin de yüksek oranda hem glisin hem de alanin içerir. Bir β-keratin olarak kabul edilen ipek fibroin, bu ikisine toplamın %75-80'i kadar sahip olabilir, %10-15'i serin, geri kalanı ise hacimli yan gruplara sahiptir. Zincirler, alternatif bir C → N oryantasyonu ile antiparaleldir. Küçük, reaktif olmayan yan gruplara sahip amino asitlerin baskınlığı, H-bağlı yakın paketlenmenin kimyasal özgüllükten daha önemli olduğu yapısal proteinlerin karakteristiğidir. ⓘ
Disülfit köprüleri
Molekül içi ve moleküller arası hidrojen bağlarına ek olarak, keratinlerin ayırt edici özelliği, protein olmayan sülfür köprülerinin vulkanize kauçuğu stabilize ettiği gibi, kalıcı, termal olarak stabil çapraz bağlanma yoluyla ek güç ve sertlik sağlayan disülfit köprüleri için gerekli olan büyük miktarda sülfür içeren amino asit sisteinin varlığıdır. İnsan saçının yaklaşık %14'ü sisteindir. Yanan saç ve derinin keskin kokusu, oluşan uçucu sülfür bileşiklerinden kaynaklanmaktadır. Ayrıştırıcı veya indirgeyici maddeler gibi az sayıda çözücü dışında, yoğun disülfit bağları keratinlerin çözünmezliğine katkıda bulunur. ⓘ
Saçın daha esnek ve elastik keratinleri, memeli tırnakları, toynakları ve pençelerindeki (homolog yapılar) keratinlerden daha az zincirler arası disülfit köprüsüne sahiptir, bunlar daha serttir ve diğer omurgalı sınıflarındaki analoglarına daha çok benzer. Saç ve diğer α-keratinler α-helikal olarak sarılmış tek protein ipliklerinden oluşur (düzenli zincir içi H-bağı ile), bunlar daha sonra daha fazla sarılabilen süper helikal halatlar halinde bükülür. Sürüngenlerin ve kuşların β-keratinleri, birlikte bükülmüş, daha sonra disülfit köprüleri ile stabilize edilmiş ve sertleştirilmiş β-katlı tabakalara sahiptir. ⓘ
Filament oluşumu
Keratinlerin 'sert' ve 'yumuşak' formlara ya da 'sitokeratinler' ve 'diğer keratinler' olarak ikiye ayrılabileceği öne sürülmüştür. Bu modelin artık doğru olduğu anlaşılmıştır. Keratinleri tanımlamak için 2006 yılında yapılan yeni bir nükleer ekleme bunu dikkate almaktadır. ⓘ
Keratin filamentleri ara filamentlerdir. Tüm ara filamentler gibi keratin proteinleri de dimerleşme ile başlayan bir dizi birleşme adımında filamentli polimerler oluşturur; dimerler tetramerlere ve oktamerlere ve nihayetinde, mevcut hipotez geçerli ise, uzun filamentler halinde uç uca tavlanabilen birim uzunluklu filamentlere (ULF) birleşir. ⓘ
Eşleştirme
| A (nötr-temel) | B (asidik) | Oluşum ⓘ |
|---|---|---|
| keratin 1, keratin 2 | keratin 9, keratin 10 | stratum corneum, keratinositler |
| keratin 3 | keratin 12 | Kornea |
| keratin 4 | keratin 13 | tabakalı epitel |
| keratin 5 | keratin 14, keratin 15 | tabakalı epitel |
| keratin 6 | keratin 16, keratin 17 | skuamöz epitel |
| keratin 7 | keratin 19 | duktal epitel |
| keratin 8 | keratin 18, keratin 20 | basit epitel |
Mısırlaştırma
Kornifikasyon, epidermal bir bariyer oluşturma sürecidir. tabakalı skuamöz epitel doku. Hücresel düzeyde, kornifikasyon şu şekilde karakterize edilir:
- keratin üretimi
- küçük prolin bakımından zengin (SPRR) proteinlerin ve transglutaminazın üretilmesi ve bunların sonunda plazma zarının altında kornifiye bir hücre zarfı oluşturması
- terminal farklılaşması
- kornifikasyonun son aşamalarında çekirdek ve organel kaybı
Metabolizma durur ve hücreler neredeyse tamamen keratin ile dolar. Epitel farklılaşması sürecinde, keratin proteini daha uzun keratin ara filamentlerine katıldıkça hücreler kornifiye olur. Sonunda çekirdek ve sitoplazmik organeller kaybolur, metabolizma durur ve hücreler tamamen keratinize olurken programlı bir ölüme uğrarlar. Dermis hücreleri gibi diğer birçok hücre tipinde keratin filamentleri ve diğer ara filamentler hücreyi fiziksel strese karşı mekanik olarak stabilize etmek için hücre iskeletinin bir parçası olarak işlev görür. Bunu desmozomlara, hücre-hücre birleşim plaklarına ve hemidesmozomlara, hücre tabanı membranı yapışkan yapılarına bağlantılar yoluyla yapar. ⓘ
Epidermisteki hücreler, cildin bu en dış katmanını neredeyse su geçirmez hale getiren ve kolajen ve elastin ile birlikte cilde gücünü veren yapısal bir keratin matrisi içerir. Sürtünme ve basınç, epidermisin dış, kornifiye tabakasının kalınlaşmasına neden olur ve sporcular için ve telli enstrümanlar çalan müzisyenlerin parmak uçlarında yararlı olan koruyucu nasırları oluşturur. Keratinize epidermal hücreler sürekli olarak dökülür ve yenilenir. ⓘ
Bu sert, integümenter yapılar, derinin derinliklerindeki özelleşmiş yataklar tarafından üretilen ölü, kornifiye hücrelerden oluşan liflerin hücreler arası çimentolanması ile oluşur. Kıllar sürekli uzar ve tüyler dökülür ve yenilenir. Bileşen proteinler filogenetik olarak homolog olabilir, ancak kimyasal yapı ve süper moleküler organizasyon açısından bir miktar farklılık gösterir. Evrimsel ilişkiler karmaşıktır ve sadece kısmen bilinmektedir. Tüylerdeki β-keratinler için birden fazla gen tanımlanmıştır ve bu muhtemelen tüm keratinlerin karakteristiğidir. ⓘ
İpek
Böcekler ve örümcekler tarafından üretilen ipek lifleri genellikle keratinler olarak sınıflandırılır, ancak filogenetik olarak omurgalı keratinleriyle ilişkili olup olmadıkları belirsizdir. ⓘ
Böcek pupalarında, örümcek ağlarında ve yumurta kılıflarında bulunan ipek de, daha büyük süper moleküler agregalar halinde sarılmış liflere dahil edilmiş bükülmüş β pileli tabakalara sahiptir. Örümceklerin kuyruklarındaki iplikçiklerin yapısı ve iç bezlerinin katkıları, hızlı ekstrüzyonun dikkate değer bir şekilde kontrol edilmesini sağlar. Örümcek ipeği tipik olarak yaklaşık 1 ila 2 mikrometre (µm) kalınlığındadır, buna karşılık insan saçı için yaklaşık 60 µm ve bazı memeliler için daha fazladır. İpek liflerinin biyolojik ve ticari açıdan faydalı özellikleri, birden fazla bitişik protein zincirinin, zincirlerin rastgele sarıldığı esnek, amorf bölgelerle dönüşümlü olarak değişen boyutlarda sert, kristal bölgeler halinde düzenlenmesine bağlıdır. İpek ikamesi olarak geliştirilen naylon gibi sentetik polimerlerde de benzer bir durum söz konusudur. Eşek arısı kozasından elde edilen ipek, yaklaşık 10 µm genişliğinde, çekirdekli ve kaplamalı çiftler içerir ve 10 katmana kadar düzenlenebilir, ayrıca değişken şekilli plaklar halinde olabilir. Yetişkin eşek arıları da örümcekler gibi ipeği yapıştırıcı olarak kullanır. ⓘ
Klinik önemi
Keratinin anormal büyümesi keratoz, hiperkeratoz ve keratoderma gibi çeşitli durumlarda ortaya çıkabilir. ⓘ
Keratin gen ekspresyonundaki mutasyonlar, diğerlerinin yanı sıra şunlara yol açabilir:
- Epidermolizis bülloza simpleks
- Siemens'in iktiyozis bülloza hastalığı
- Epidermolitik hiperkeratoz
- Steatocystoma multiplex
- Keratoz farenjis
- Rabdoid fenotipli büyük hücreli akciğer karsinomunda rabdoid hücre oluşumu ⓘ
Ayak mantarı ve saçkıran gibi çeşitli hastalıklara keratinle beslenen bulaşıcı mantarlar neden olur. ⓘ
Keratin, yutulduğu takdirde sindirim asitlerine karşı oldukça dirençlidir. Kediler, tımarlama davranışlarının bir parçası olarak düzenli olarak kıl yutar ve bu da ağızdan atılabilen veya dışarı atılabilen tüy yumaklarının kademeli olarak oluşmasına yol açar. İnsanlarda trikofaji, son derece nadir görülen ancak potansiyel olarak ölümcül bir bağırsak rahatsızlığı olan Rapunzel sendromuna yol açabilir. ⓘ
Teşhis amaçlı kullanım
Keratin ekspresyonu anaplastik kanserlerde epitel kökenini belirlemede yardımcıdır. Keratin eksprese eden tümörler arasında karsinomlar, timomlar, sarkomlar ve trofoblastik neoplazmlar bulunmaktadır. Ayrıca, keratin alt tiplerinin kesin ekspresyon şekli, metastazlar değerlendirilirken primer tümörün kökeninin tahmin edilmesini sağlar. Örneğin, hepatoselüler karsinomlar tipik olarak CK8 ve CK18, kolanjiyokarsinomlar ise CK7, CK8 ve CK18 eksprese ederken, kolorektal karsinomların metastazları CK20 eksprese eder ancak CK7 eksprese etmez. ⓘ