La queratina ( / ˈ k ɛr ə t ɪ n / [1] [2] ) 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 externa de la piel de los vertebrados. 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 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 de ganado vacuno y rinoceronte , y en el osteodermo de armadillos . [5] La única otra materia biológica que se sabe que se aproxima a la dureza del tejido queratinizado es la quitina . [6] [7] [8] La queratina viene en dos tipos: las formas primitivas y 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 alfaqueratinas (α-queratinas) se encuentran en todos los vertebrados. Forman el pelo (incluida la lana ), la capa exterior de piel , los cuernos , las uñas , las garras y las pezuñas de los mamíferos y los hilos de baba del mixino . [4] Las barbas de las ballenas que se alimentan por filtración también están hechas de queratina. Los filamentos de queratina abundan en los queratinocitos de la capa córnea de la epidermis ; Se trata de proteínas que han sufrido una queratinización . También están presentes en las células epiteliales en general. Por ejemplo, las células epiteliales del timo de 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 de ratón en estudios genéticos del timo .
Las betaqueratinas 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 los caparazones de algunos reptiles ( testinos , como tortugas , galápagos ) 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 queratinas α. [11] Estudios recientes han demostrado que las β-queratinas saurópsidas 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 únicamente en cordados ( vertebrados , anfioxos , urocordados ). Los nematodos y muchos otros animales no cordados parecen tener sólo filamentos intermedios de tipo VI , fibras que estructuran el núcleo .
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. [13]
Las queratinas incluyen las siguientes proteínas: KRT23 , KRT24 , KRT25 , KRT26 , KRT27 , KRT28 , KRT31 , KRT32 , KRT33A , KRT33B , KRT34 , KRT35 , KRT36 , KRT37 , KRT38 , KRT39 , KRT40 , KRT71 , KRT7. 2 , KRT73 , KRT74 , KRT75 , KRT76 , KRT77 , KRT78 , KRT79 , KRT8 , KRT80 , KRT81 , KRT82 , KRT83 , KRT84 , KRT85 y KRT86 se han utilizado para describir las queratinas posteriores a 20. [14]
Las primeras secuencias de queratinas fueron determinadas por Israel Hanukoglu y Elaine Fuchs (1982, 1983). [16] [17] Estas secuencias revelaron que existen dos familias de queratinas distintas pero homólogas, que se denominaron queratinas tipo I y tipo II. [17] 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 de hélice α que están separados por tres segmentos de enlace cortos que se predice que estarán en conformación de giro beta. [17] Este modelo ha sido confirmado mediante 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 pertenecen a la familia de queratina tipo 2 . [19]
Las moléculas de queratina fibrosa se superenrollan para formar un motivo superhélice zurdo muy estable para multimerizarse, formando filamentos que constan de múltiples copias del monómero de queratina . [20]
La fuerza principal que mantiene la estructura en espiral son las interacciones hidrófobas entre 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 , los cartílagos y los huesos , también tiene un alto porcentaje de glicina . La proteína elastina del tejido conectivo también tiene un alto porcentaje tanto de glicina como de alanina . La fibroína de seda , considerada una β-queratina, puede tener estos dos como 75 a 80 % del total, con 10 a 15 % de serina , y el resto tiene grupos laterales voluminosos. Las cadenas son antiparalelas, con una orientación alterna C → N. [22] Una preponderancia de aminoácidos con grupos laterales pequeños y no reactivos es característica de las proteínas estructurales, para las cuales el empaquetamiento cercano 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 cisteína que contiene azufre , necesario para los puentes disulfuro que confieren resistencia y rigidez adicionales mediante una reticulación permanente y térmicamente estable [23]. —De forma muy parecida a como 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 numerosos enlaces disulfuro contribuyen a la insolubilidad de las queratinas, excepto en un pequeño número de disolventes, como agentes disociantes o reductores .
Las queratinas del cabello, más flexibles y elásticas, 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 cabello y otras α-queratinas consisten en hebras proteicas individuales enrolladas en hélice α (con enlaces H 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-plisadas retorcidas entre sí, luego estabilizadas y endurecidas mediante puentes disulfuro.
Los polímeros tiolados (= tiomeros ) pueden formar puentes disulfuro con subestructuras de cisteína de queratinas que se unen covalentemente a estas proteínas. [25] Los tiómeros exhiben, por lo tanto, 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 ] Ahora se entiende que ese modelo es correcto. Una nueva adición nuclear de 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, eventualmente, si la hipótesis actual se mantiene, en filamentos de longitud unitaria (ULF) capaces de recocerse de un extremo a otro para formar filamentos largos.
La cornificación es el proceso de formación de una barrera epidérmica en tejido epitelial escamoso estratificado. A nivel celular, la cornificación se caracteriza por:
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. Con el tiempo, 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 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 fuerza a la piel. El roce y la presión provocan un engrosamiento de la capa exterior cornificada 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 mediante la cementación intercelular de fibras formadas a partir de células muertas cornificadas 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 estructura química y organización supermolecular. Las relaciones evolutivas son complejas y sólo se conocen parcialmente. Se han identificado múltiples genes para las queratinas β en las plumas, y esto probablemente sea 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 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 rápida extrusión . La seda de araña suele tener entre 1 y 2 micrómetros (μm) de espesor, en comparación con aproximadamente 60 μm del cabello humano y más en el caso de 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 diferentes tamaños, alternadas con regiones flexibles y amorfas 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 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 utilizan la seda como pegamento , al igual que las arañas.
Los pegamentos hechos 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 condiciones que incluyen queratosis , hiperqueratosis y 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 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.
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 los carcinomas colorrectales expresan CK20, pero no CK7. [34]
Las proteínas fibrosas se caracterizan por un único tipo de estructura secundaria: la queratina es una espiral de dos hélices a izquierdas.
