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Microscopía de filamentos de queratina dentro de las células La queratina ( / ˈ k ɛr ə t ɪ n / [ 1 ] [ 2 ] ) es una de una familia de proteínas fibrosas estructurales también co...

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Microscopía de filamentos de queratina dentro de las células

La queratina ( / ˈ k ɛr ə t ɪ n / [ 1 ] [ 2 ] ) es una de una familia de proteínas fibrosas estructurales también conocidas como escleroproteínas . Es el material estructural clave que compone las escamas , el pelo , las uñas , las plumas , los cuernos , las garras , las pezuñas y la capa externa de la piel en los vertebrados tetrápodos . La queratina también protege las células epiteliales del daño o el estrés. La queratina es extremadamente insoluble en agua y disolventes orgánicos. Los monómeros de queratina se ensamblan en haces para formar filamentos intermedios , que son resistentes y forman apéndices epidérmicos fuertes no mineralizados que se encuentran en reptiles , aves , anfibios y mamíferos . [ 3 ] [ 4 ] La queratinización excesiva participa en la fortificación de ciertos tejidos como en los cuernos del ganado y los rinocerontes , y el osteodermo de los armadillos . [ 5 ] La única otra materia biológica conocida que se aproxima a la dureza del tejido queratinizado es la quitina . [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] La queratina se presenta en dos tipos: las formas primitivas y más blandas que se encuentran en todos los vertebrados y las formas más duras y derivadas que se encuentran solo entre los saurópsidos (reptiles y aves).

Ejemplos de ocurrencia

Los cuernos del impala están hechos de queratina que recubre un núcleo de hueso .

Las alfa-queratinas (α-queratinas) se encuentran en todos los vertebrados. Forman el pelo (incluida la lana ), la capa externa de la piel , los cuernos , las uñas , las garras y las pezuñas de los mamíferos, y los filamentos mucosos de las mixinas . [ 4 ] Las placas de barbas de las ballenas filtradoras también están hechas de queratina. Los filamentos de queratina son abundantes en los queratinocitos en 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 del timo del ratón reaccionan con anticuerpos para la queratina 5, la queratina 8 y la queratina 14. Estos anticuerpos se utilizan como marcadores fluorescentes para distinguir subconjuntos de células epiteliales del timo del ratón en estudios genéticos del timo .

Las beta-queratinas más duras (β-queratinas) se encuentran únicamente 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 ) y en las plumas , picos y garras de las aves. [ 9 ] Estas queratinas se forman principalmente en láminas beta . Sin embargo, las láminas beta también se encuentran en las α-queratinas. [ 10 ] Estudios recientes han demostrado que las β-queratinas de los saurópsidos 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. [ 11 ]

Las queratinas (también llamadas citoqueratinas ) son polímeros de filamentos intermedios de tipo I y tipo II que se han encontrado únicamente en cordados ( vertebrados , anfioxis , urocordados ). Los nematodos y muchos otros animales no cordados parecen tener solo filamentos intermedios de tipo V , fibras que estructuran el núcleo .

Genes

Las queratinas neutras - básicas están codificadas en el cromosoma 12 (12q13.13).
Las queratinas ácidas están codificadas en el cromosoma 17 (17q21.2).

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 genéticas en estos cromosomas. [ 12 ]

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 , KRT80 , KRT81 , KRT82 , KRT83 , KRT84 , KRT85 y KRT86 se han utilizado para describir queratinas más allá de 20. [ 13 ]

Alineación de secuencias de proteínas de las queratinas humanas 1, 2A, 3, 4, 5, 6A, 7 y 8 (KRT1 – KRT8). Solo se muestra el primer dominio en forma de varilla. La alineación se realizó con Clustal Omega .

Estructura de las proteínas

Las primeras secuencias de queratinas fueron determinadas por Israel Hanukoglu y Elaine Fuchs (1982, 1983). [ 15 ] [ 16 ] Estas secuencias revelaron que existen dos familias de queratinas distintas pero homólogas, que fueron denominadas queratinas de tipo I y tipo II. [ 16 ] Mediante el análisis de las estructuras primarias de estas queratinas y otras proteínas de filamentos intermedios, Hanukoglu y Fuchs propusieron 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 separados por tres segmentos cortos de enlace que se predice que están en conformación de giro beta. [ 16 ] Este modelo ha sido confirmado por la determinación de la estructura cristalina de un dominio helicoidal de queratinas. [ 17 ]

queratinas de tipo I y II

El genoma humano tiene 54 genes de queratina anotados funcionalmente, de los cuales 28 son queratinas de tipo I y 26 son queratinas de tipo II . [ 18 ]

Queratina (de alto peso molecular) en las células de los conductos biliares y en las células ovaladas del hígado de caballo .

Las moléculas fibrosas de queratina se superenrollan para formar un motivo superhelicoidal levógiro muy estable para multimerizarse, formando filamentos que consisten en múltiples copias del monómero de queratina . [ 19 ]

La principal fuerza que mantiene la estructura de hélice enrollada son las interacciones hidrofóbicas entre residuos apolares a lo largo de los segmentos helicoidales de la queratina. [ 20 ]

La forma de superhélice de la queratina limita el espacio en su interior. Esta restricción de tamaño se compensa en la queratina con una alta frecuencia de residuos de glicina, el aminoácido proteico más pequeño. También se observa una alta frecuencia de residuos de glicina en las proteínas estructurales del colágeno, que también presentan una forma helicoidal con tamaño restringido. La elastina , proteína del tejido conectivo , también tiene un alto porcentaje de glicina y alanina . Una preponderancia de aminoácidos con grupos laterales pequeños y no reactivos es característica de las proteínas estructurales, para las cuales el empaquetamiento compacto mediante enlaces de hidrógeno es más importante que la especificidad química .

puentes disulfuro

Además de los enlaces de hidrógeno intra e intermoleculares , la característica distintiva de las queratinas es la presencia de grandes cantidades del aminoácido cisteína , que contiene azufre y es necesario para los puentes disulfuro que confieren resistencia y rigidez adicionales mediante entrecruzamiento permanente y térmicamente estable [ 21 ] , de forma muy similar a como los puentes de azufre no proteicos estabilizan el caucho vulcanizado . El cabello humano tiene aproximadamente un 14 % de cisteína. Los olores penetrantes del cabello y la piel quemados se deben a los compuestos volátiles de azufre que se forman. La extensa red de enlaces disulfuro contribuye a la insolubilidad de las queratinas, excepto en un pequeño número de disolventes como agentes disociantes o reductores .

Una uña del pie humano que se desprendió tras un pequeño traumatismo.

Las queratinas más flexibles y elásticas del cabello tienen menos puentes disulfuro intercatenarios 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. [ 22 ] El cabello y otras α-queratinas consisten en hebras proteicas simples enrolladas en α-hélice (con enlaces de hidrógeno intracatenarios regulares ), que luego se retuercen aún más en cuerdas superhelicoidales que pueden enrollarse aún más. Las β-queratinas de los reptiles y las aves tienen láminas β-plegadas retorcidas entre sí, luego estabilizadas y endurecidas por puentes disulfuro.

Los polímeros tiolados ( tiómeros ) pueden formar puentes disulfuro con las subestructuras de cisteína de las queratinas, uniéndose covalentemente a estas proteínas. [ 23 ] Por lo tanto, los tiómeros exhiben altas propiedades de unión a las queratinas presentes en el cabello, [ 24 ] en la piel [ 25 ] [ 26 ] y en la superficie de muchos tipos de células. [ 27 ]

Formación de filamentos

Se ha propuesto que las queratinas se pueden dividir en formas «duras» y «blandas», o « citoqueratinas » y «otras queratinas». Actualmente se entiende que ese modelo es correcto. Una nueva adición nuclear de 2006 para describir las queratinas tiene esto en cuenta. [ 13 ]

Los filamentos de queratina son filamentos intermedios . Al igual que 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 la hipótesis actual es correcta, en filamentos de longitud unitaria (ULF) capaces de unirse extremo con extremo para formar 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 proteínas pequeñas ricas en prolina (SPRR) y transglutaminasa que finalmente 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 queratina se incorpora a filamentos intermedios de queratina más largos. Finalmente, el núcleo y los orgánulos citoplasmáticos desaparecen, el metabolismo cesa y las células experimentan una muerte celular programada al quedar completamente queratinizadas. En muchos otros tipos celulares, como las células de la dermis, los filamentos de queratina y otros filamentos intermedios funcionan como parte del citoesqueleto para estabilizar mecánicamente la célula frente al estrés físico. Esto se logra mediante conexiones con desmosomas, placas de unión célula-célula, y hemidesmosomas, estructuras adhesivas de la membrana basal celular.

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 confiere resistencia. La fricción y la presión provocan el engrosamiento de la capa externa queratinizada de la epidermis y la formación de callos protectores, 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 se reemplazan constantemente.

Estas estructuras duras del tegumento se forman por la cementación intercelular de fibras derivadas de células queratinizadas muertas, generadas por lechos especializados en las profundidades de la piel. El pelo crece continuamente y las plumas mudan y se regeneran. Las proteínas constituyentes pueden ser filogenéticamente homólogas, pero difieren ligeramente en su estructura química y organización supramolecular. Las relaciones evolutivas son complejas y solo se conocen parcialmente. Se han identificado múltiples genes para las β-queratinas en las plumas, lo que probablemente sea característico de todas las queratinas.

Importancia clínica

El crecimiento anormal de la queratina puede ocurrir en diversas afecciones, como la queratosis , la hiperqueratosis y la queratodermia .

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

Varias enfermedades, como el pie de atleta y la tiña , son causadas por hongos infecciosos que se alimentan de queratina. [ 30 ]

La queratina es altamente resistente a los ácidos digestivos si se ingiere. Los gatos ingieren pelo con frecuencia al acicalarse , lo que provoca la formación gradual de bolas de pelo que pueden ser expulsadas por vía oral o excretadas. En los humanos, la tricofagia puede causar 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 suelen expresar CK8 y CK18, y los colangiocarcinomas expresan CK7, CK8 y CK18, mientras que las metástasis de carcinomas colorrectales expresan CK20, pero no CK7. [ 31 ]

Véase también

Referencias

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  • Entrada de Hair-Science.com sobre los elementos microscópicos del cabello
  • Página de Proteopedia sobre queratinas