Queratina

La queratina pertenece a una familia de proteínas fibrosas estructurales también conocidas como escleroproteínas. La alfa-queratina (α-queratina) es un tipo de queratina que se encuentra en los vertebrados. Es el material estructural clave que forma las escamas, el pelo, las uñas, las plumas, los cuernos, las garras, las pezuñas y la capa exterior de la piel entre los vertebrados. La queratina también protege las células epiteliales del daño o estrés. La queratina es extremadamente insoluble en agua y disolventes orgánicos. Los monómeros de queratina se ensamblan en paquetes para formar filamentos intermedios, que son fuertes y forman apéndices epidérmicos no mineralizados fuertes que se encuentran en reptiles, aves, anfibios y mamíferos. La queratinización excesiva participa en el fortalecimiento de ciertos tejidos, como en los cuernos del ganado y los rinocerontes, y el osteodermo de los armadillos. La única otra materia biológica conocida que se aproxima a la dureza del tejido queratinizado es la quitina. La queratina viene en dos tipos, las formas primitivas y más blandas que se encuentran en todos los vertebrados y las formas derivadas más duras que se encuentran solo entre los saurópsidos (reptiles y aves).

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

Las alfa-queratinas (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 baba de los mixinos. Los filamentos de queratina son abundantes en los queratinocitos de la capa córnea de la epidermis; estas son proteínas que han sufrido 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 de células epiteliales tímicas de ratón en estudios genéticos del timo.

Las beta-queratinas (β-queratina) más duras se encuentran solo en los saurópsidos, es decir, en todos los reptiles y aves vivos. Se encuentran en las uñas, escamas y garras de los reptiles, en algunos caparazones de reptiles (testudines, como tortuga, galápago, galápago) 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 las α-queratinas. Las barbas de las ballenas que se alimentan por filtración están hechas de queratina. Estudios recientes han demostrado que las β-queratinas de sauropsid son fundamentalmente diferentes de las α-queratinas a nivel genético y estructural. Se ha propuesto el nuevo término proteína beta córnea (CBP) para evitar confusiones con las α-queratinas.

Las queratinas (también descritas como citoqueratinas) son polímeros de filamentos intermedios 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

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 las cuales 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 las queratinas después de los 20 años.

Alineación de secuencias de proteínas de queratina humana 1, 2A, 3,4, 5, 6A, 7 y 8 (KRT1 – KRT8). Arriba solo se muestra el primer dominio de varillas. La alineación se creó utilizando Clustal Omega.

Estructura de la proteína

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 tipo I y 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 enlaces cortos. segmentos predichos para estar en conformación de giro beta. Este modelo ha sido confirmado por la determinación de la estructura cristalina de un dominio helicoidal de queratinas.

Las moléculas fibrosas de queratina se superenrollan para formar un motivo superhelicoidal levógiro muy estable que se multimeriza, formando filamentos que consisten en múltiples copias del monómero de queratina.

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

El espacio interior limitado es la razón por la cual la triple hélice de la proteína estructural colágeno (no relacionada), que se encuentra en la piel, el cartílago y el hueso, también tiene un alto porcentaje de glicina. La elastina de 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 75-80% del total, con 10-15% 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 cerrado con enlaces H es más importante que la especificidad química.

Puentes disulfuro

Además de los enlaces de hidrógeno intramoleculares 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 fuerza y ​​rigidez adicionales mediante un entrecruzamiento permanente y térmicamente estable, en muchos casos. del mismo modo que los puentes de azufre no proteicos estabilizan el caucho vulcanizado. El cabello humano tiene aproximadamente un 14 % de cisteína. Los olores acre del cabello y la piel quemados se deben a los compuestos volátiles de azufre que se forman. Los extensos enlaces disulfuro contribuyen a la insolubilidad de las queratinas, excepto en un pequeño número de disolventes, como los agentes disociantes o reductores.

Las queratinas más flexibles y elásticas del cabello tienen menos puentes disulfuro entre cadenas que las queratinas de las uñas, pezuñas 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 queratinas α consisten en hebras de proteína simples enrolladas en hélice α (con enlaces de H intracadenas regulares), que luego se retuercen en cuerdas superhelicoidales que pueden enrollarse aún más. Las queratinas β de reptiles y aves tienen láminas plegadas β retorcidas juntas, luego estabilizadas y endurecidas por puentes 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 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, finalmente, si se mantiene la hipótesis actual, en filamentos de longitud unitaria (ULF) capaces de recocerse de extremo a extremo en filamentos largos.

Emparejamiento

Cornificación

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

• producción de queratina
• producción de pequeñas proteínas 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 la cornificación

El metabolismo cesa y las células se llenan casi por completo de queratina. Durante el proceso de diferenciación epitelial, las células se cornifican a medida que la proteína de queratina se incorpora a los filamentos intermedios de queratina más largos. Eventualmente, 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 contra el 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 a la piel su fuerza. El roce y la presión provocan el engrosamiento de la capa externa 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 desprenden y reemplazan constantemente.

Estas estructuras tegumentarias duras están formadas por la cementación intercelular de fibras formadas a partir de las células cornificadas muertas generadas por lechos especializados en lo profundo de la piel. El pelo crece continuamente y las plumas 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 parcialmente conocidas. Se han identificado múltiples genes para las β-queratinas 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 filogenéticamente relacionadas con las queratinas de vertebrados.

La seda que se encuentra en las pupas de los insectos, y en las telas de araña y las tripas de los huevos, también tiene láminas plisadas β torcidas 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 suele tener entre 1 y 2 micrómetros (µm) de grosor, en comparación con los 60 µm del 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 duras y cristalinas de tamaño variable, alternando con regiones flexibles y amorfas donde las cadenas se enrollan al azar.Una situación algo análoga ocurre con polímeros sintéticos como el nailon, desarrollado como sustituto de la seda. La seda del capullo del avispón 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

El crecimiento anormal de queratina puede ocurrir en una variedad de condiciones que incluyen queratosis, hiperqueratosis y queratodermia.

Las mutaciones en la expresión del gen de la queratina pueden provocar, entre otros:

• Epidermólisis ampollosa simple
• Ictiosis ampollosa de Siemens
• Hiperqueratosis epidermolítica
• Esteatocistoma múltiple
• Queratosis faríngea
• Formación de células rabdoides en carcinoma de pulmón de células grandes con fenotipo rabdoide

Varias enfermedades, como el pie de atleta y la tiña, son causadas por hongos infecciosos que se alimentan de queratina.

La queratina es altamente resistente a los ácidos digestivos si se ingiere. Los gatos ingieren pelo regularmente como parte de su comportamiento de aseo, lo que lleva a la formación gradual de bolas de pelo que pueden expulsarse por vía oral o excretarse. En los seres humanos, la tricofagia puede provocar el síndrome de Rapunzel, una afección intestinal extremadamente rara pero potencialmente mortal.

Uso diagnóstico

La expresión de queratina es útil para determinar el origen epitelial en los 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 típicamente expresan CK8 y CK18, y los colangiocarcinomas expresan CK7, CK8 y CK18, mientras que las metástasis de carcinomas colorrectales expresan CK20, pero no CK7.