La queratina ( / ˈ k ɛr ə t ɪ n / [1] [2] ) es una de 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 compone 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 a 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 fuertes apéndices epidérmicos 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 viene en dos tipos, las formas primitivas, más suaves 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, [9] aunque la producción de la proteína puede haber evolucionado independientemente del proceso en los vertebrados.
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 . [4] Las placas barbadas de las ballenas que se alimentan por filtración también están hechas de queratina. 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 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 tímicas del ratón en estudios genéticos del timo .
Las beta-queratinas más duras (β-queratinas) se encuentran únicamente en los saurópsidos , es decir, todos los reptiles y aves actuales . Se encuentran en las uñas, escamas y garras de los reptiles , en algunos caparazones de reptiles ( testudinos , como la tortuga , el galápago , el terrapin ) y en las plumas , picos y garras de las aves . [10] Estas queratinas se forman principalmente en láminas beta . Sin embargo, las láminas beta también se encuentran en las α-queratinas. [11] 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 la confusión con las α-queratinas. [12]
Las queratinas (también descritas como citoqueratinas ) son polímeros de filamentos intermedios de tipo I y tipo II que se han encontrado solo en cordados ( vertebrados , anfioxi , urocordados ). Los nematodos y muchos otros animales no cordados parecen tener solo filamentos intermedios de tipo VI , fibras que estructuran el núcleo .
El genoma humano codifica 54 genes funcionales de queratina , 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. [13]
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 en los últimos 20 años. [14]
Las primeras secuencias de queratinas fueron determinadas por Israel Hanukoglu y Elaine Fuchs (1982, 1983). [16] [17] Estas secuencias revelaron que hay dos familias de queratinas distintas pero homólogas, que fueron denominadas queratinas tipo I y tipo II. [17] Mediante el análisis de las estructuras primarias de estas queratinas y otras proteínas de filamento intermedio, Hanukoglu y Fuchs sugirieron un modelo en el que las queratinas y las proteínas de filamento intermedio contienen un dominio central de ~310 residuos con cuatro segmentos en conformación α-helicoidal que están separados por tres segmentos de enlace cortos que se predice que están en conformación de giro beta. [17] Este modelo ha sido confirmado por la determinación de la estructura cristalina de un dominio helicoidal de queratinas. [18]
El genoma humano tiene 54 genes de queratina anotados funcionales, 28 pertenecen a la familia de queratina tipo 1 y 26 a la familia de queratina tipo 2. [19]
Las moléculas de queratina fibrosa se superenrollan para formar un motivo superhelicoidal levógiro muy estable para multimerizarse, formando filamentos que consisten en múltiples copias del monómero de queratina . [20]
La fuerza principal que mantiene la estructura en espiral son las interacciones hidrofóbicas entre los residuos apolares a lo largo de los segmentos helicoidales de las queratinas. [21]
El espacio interior limitado es la razón por la que la triple hélice de la proteína estructural (no relacionada) colágeno , que se encuentra en la piel , el cartílago y el hueso , también tiene un alto porcentaje de glicina . La proteína del tejido conectivo elastina también tiene un alto porcentaje de glicina y alanina . La fibroína de seda , considerada una β-queratina, puede tener estas 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 C → N alternada. [22] Una preponderancia de aminoácidos con grupos laterales pequeños y no reactivos es característica de las proteínas estructurales, para las cuales el empaquetamiento cerrado con enlaces de H es más importante que la especificidad química .
Además de los enlaces de hidrógeno intra e intermoleculares , la característica distintiva de las queratinas es la presencia de grandes cantidades del aminoácido que contiene azufre cisteína , necesario para los puentes disulfuro que confieren resistencia y rigidez adicionales mediante una reticulación permanente y térmicamente estable [23] , de forma muy similar a como los puentes de azufre no proteicos estabilizan el caucho vulcanizado . El cabello humano está compuesto aproximadamente por un 14% de cisteína. Los olores penetrantes del cabello y la piel quemados se deben a los compuestos de azufre volátiles formados. La extensa unión disulfuro contribuye a la insolubilidad de las queratinas, excepto en una pequeña cantidad de disolventes, como los agentes disociantes o reductores .
Las queratinas más flexibles y elásticas del pelo 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 análogas en otras clases de vertebrados. [24] El pelo y otras α-queratinas consisten en hebras de proteína simples enrolladas α-helicoidalmente (con enlaces de hidrógeno intracadena regulares ), que luego se retuercen aún más en cuerdas superhelicoidales que pueden enrollarse aún más. Las β-queratinas de reptiles y aves tienen láminas β-plegadas retorcidas entre sí, luego estabilizadas y endurecidas por puentes disulfuro.
Los polímeros tiolados (= tiómeros ) pueden formar puentes disulfuro con subestructuras de cisteína de queratinas uniéndose covalentemente a estas proteínas. [25] Por lo tanto, los tiómeros exhiben altas propiedades de unión a las queratinas que se encuentran en el cabello, [26] en la piel [27] [28] y en la superficie de muchos tipos de células. [29]
Se ha propuesto que las queratinas se pueden dividir en formas "duras" y "blandas", o " citoqueratinas " y "otras queratinas". [ Se necesita aclaración ] [ Dudoso – discutir ] Ahora se entiende que ese modelo es correcto. Una nueva adición nuclear en 2006 para describir las queratinas tiene esto en cuenta. [14]
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 la hipótesis actual se mantiene, en filamentos de longitud unitaria (ULF) capaces de recocerse de extremo a extremo para formar filamentos largos.
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:
El metabolismo cesa y las células quedan casi completamente llenas 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 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. Esto se logra a través de conexiones con desmosomas, placas de unión entre células, 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 da a la piel su resistencia. El roce y la presión provocan el engrosamiento de la capa externa y córnea de la epidermis y forman callos protectores, que son útiles para los deportistas 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 se forman por la cementación intercelular de fibras formadas a partir de células muertas y cornificadas 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 un poco en la estructura química y la organización supramolecular. Las relaciones evolutivas son complejas y solo se conocen parcialmente. Se han identificado múltiples genes para las β-queratinas en las plumas, y esto es probablemente característico de todas las queratinas.
Las fibroínas de seda producidas por insectos y arañas a menudo se clasifican como queratinas, aunque no está claro si están relacionadas filogenéticamente con las queratinas de los vertebrados.
La seda que se encuentra en las pupas de los insectos , en las telarañas y en las carcasas de los huevos, también tiene láminas retorcidas con pliegues β incorporadas en fibras enrolladas en agregados supermoleculares más grandes. La estructura de las hileras de 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 un grosor de entre 1 y 2 micrómetros (μm), en comparación con los 60 μm del cabello humano y más para algunos mamíferos. Las propiedades biológicamente y comercialmente útiles de las fibras de seda dependen de la organización de múltiples cadenas de proteínas adyacentes en regiones cristalinas duras de tamaño variable, alternando con regiones amorfas flexibles donde las cadenas se enrollan aleatoriamente . [30] Una situación algo análoga ocurre con los polímeros sintéticos como el nailon , desarrollado como sustituto de la seda. La seda del capullo de avispa contiene dobletes de unos 10 μm de ancho, con núcleos y revestimiento, y puede estar dispuesta en hasta 10 capas, también en placas de forma variable. Los avispones adultos también utilizan la seda como pegamento , al igual que las arañas.
Los pegamentos elaborados a partir de queratina parcialmente hidrolizada incluyen el pegamento para pezuñas y el pegamento para cuernos.
El crecimiento anormal de queratina puede ocurrir en una variedad de afecciones, incluidas 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. [33]
La queratina es muy resistente a los ácidos digestivos si se ingiere. Los gatos ingieren pelo con regularidad como parte de su comportamiento de acicalamiento , lo que lleva a la formación gradual de bolas de pelo que pueden ser expulsadas por vía oral o excretadas. En los humanos, la tricofagia puede provocar el síndrome de Rapunzel , una afección intestinal extremadamente rara pero potencialmente mortal.
La expresión de queratina es útil para determinar el origen epitelial en 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 expresan típicamente CK8 y CK18, y los colangiocarcinomas expresan CK7, CK8 y CK18, mientras que las metástasis de carcinomas colorrectales expresan CK20, pero no CK7. [34]
Las proteínas fibrosas se caracterizan por un único tipo de estructura secundaria: una queratina es una espiral levógira de dos hélices a
